JP2004296461A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単一横モード発振の安定性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上には、ノンドープ量子井戸活性層１０５を形成している。量子井戸活性層１０５上には、リッジ１０７ａを含むｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７を形成している。ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７のリッジ１０７ａの両側にはｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９を形成している。ｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９内にはｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０を形成している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体レーザ素子などの酸化物半導体発光素子に関し、更に詳しくは、単一横モード発振の安定性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００３】
ところで、半導体レーザ素子においては、導波路内を伝播する発振光が単峰性を有すること、すなわち単一横モードであることが重要である。
【０００４】
上記半導体レーザ素子は、活性層をクラッド層で挟持したダブルヘテロ構造を形成するのが一般的であり、垂直方向の光は活性層とクラッド層の屈折率差に対応して活性層へ閉じ込められる。この活性層の厚さは発振閾値電流を低減するために通常０．１μｍかそれ以下に設定されるため、層厚方向の電磁界分布は高次モードがカットオフとなり単一横モードが実現されている。
【０００５】
これに対し、水平方向では屈折率差を大きくとることが難しいので、リッジやチャネルで構成される電流狭窄幅を狭くした狭ストライプ構造によって利得分布を生ぜしめ、単一横モードの安定性を補うのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２９９７７０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の検討によると、ＺｎＯ系半導体を用いて青色〜紫外光すなわち４００ｎｍ前後の半導体レーザ素子を実現する場合、水平方向で安定な単一横モードを実現するには、リッジの幅をより狭くする必要がある。しかし、微細なリッジ構造を再現性よく作製することは困難で、リッジ形状の微妙な非対称性によってキンクが発生する。その他にも電気抵抗が高くなって動作電圧が増大し、また発振閾値電流もばらつきを生じやすい。したがって、上記リッジ幅をより狭くすることができず、水平方向で安定な単一横モードを実現するのは困難であるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、単一横モード発振の安定性に優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、高い製造歩留まりを維持しながら、単一横モードを安定化させるための手段について鋭意検討した結果、素子構造内に光吸収層を形成することによって上記課題を解決できることを見い出し、本発明に至った。
【００１０】
本発明の酸化物半導体発光素子は、基板上に形成された発光層と、この発光層上に形成され、リッジを含む上クラッド層とを備え、上記発光層および上記クラッド層がＺｎＯ系半導体からなる酸化物半導体発光素子において、上記リッジの両側の領域の一部、または、上記領域の上方には、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第１の光吸収層が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本明細書において、ＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯまたはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【００１２】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記リッジの両側の領域の一部、または、その領域の上方には、活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第１の光吸収層が形成されているので、発振光がリッジ外で吸収される。したがって、上記第１の光吸収層によって、リッジとリッジ以外の部分との実効屈折率差を微細に制御出来る。その結果、単一横モード発振の安定性を高めることが出来る。
【００１３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の一部を含む導波路を備え、上記導波路の直上に配置され、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第２の光吸収層を備え、上記第２の光吸収層と上記上クラッド層とが積層されている。
【００１４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第２の光吸収層が導波路の直上に配置されているので、発振光の上クラッド側の裾（縁）が第２の光吸収層で吸収される。したがって、上記第２の光吸収層によって、発振光の放射角を制御することが出来る。
【００１５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記活性層は、上記上クラッドと、上記上クラッドの導電型とは異なる導電型の下クラッドとにより挟持されている。
【００１６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記活性層は、上クラッドと、上クラッドの導電型とは異なる導電型の下クラッドとにより挟持されているので、励起子発光強度を増大させることが出来る。
【００１７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記発光層の一部を含む導波路を備え、上記導波路の直下に配置され、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３の光吸収層を備え、上記第３の光吸収層と上記下クラッド層とが積層されている。
【００１８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第３の光吸収層が導波路の直下に配置されているので、発振光の下クラッド側の裾（縁）が第３の光吸収層で吸収される。したがって、上記第２の光吸収層によって、発振光の放射角を制御することが出来る。
【００１９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記上クラッド層上には、上記上クラッドと同じ導電型のコンタクト層が形成されている。
【００２０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記上クラッド層上には、上クラッドと同じ導電型のコンタクト層が形成されているので、コンタクト層を介してキャリアをクラッド層に注入して、キャリアの注入効率を向上させることが出来る。
【００２１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む。
【００２２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であれば、ＺｎＯ系半導体との親和性が高い光吸収層材料を選択して、上記第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方をエピタキシャル成長で形成出来る。
【００２３】
上記光吸収材料としては、ＺｎＯよりもバンドギャップエネルギが小さく、ＺｎＯと混晶化が可能であるか、ウルツ鉱型結晶構造を有するものが好ましい。
【００２４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含む。
【００２５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅは、ＩＩ−ＶＩ族酸化物またはＩＩ−ＶＩ族亜鉛化合物であり、ＺｎＯ系半導体との親和性が高く、特にＺｎＯとの親和性が高い。したがって、上記第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方を良好な結晶性で形成出来る。
【００２６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む。
【００２７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であれば、ＺｎＯ系半導体との親和性が高い光吸収層材料を選択して、上記第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方をエピタキシャル成長で形成出来る。
【００２８】
上記光吸収材料としては、ＺｎＯよりもバンドギャップエネルギが小さく、ＺｎＯと混晶化が可能であるか、ウルツ鉱型結晶構造を有するものが好ましい。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含む。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅは、ＩＩ−ＶＩ族酸化物またはＩＩ−ＶＩ族亜鉛化合物であり、ＺｎＯ系半導体との親和性が高く、特にＺｎＯとの親和性が高い。したがって、上記第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方を良好な結晶性で形成出来る。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含む。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含むので、第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方の光吸収量や吸収係数を精密に制御することが出来る。
【００３３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有する。
【００３４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有するので、第１の光吸収層と第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方の光吸収量や吸収係数を更に精密に制御出来る。
【００３５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含む。
【００３６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含むので、第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方の光吸収量や吸収係数を精密に制御することが出来る。
【００３７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有する。
【００３８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有するので、第１の光吸収層と第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方の光吸収量や吸収係数を更に精密に制御出来る。
【００３９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記量子井戸構造が単一量子井戸構造である。
【００４０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記量子井戸構造が単一量子井戸構造であるので、特に微分吸収係数を大きく出来ると共に、損失を低減出来る。
【００４１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記リッジの両側の領域には、電流狭窄のための電流ブロック層が形成されていて、上記電流ブロック層が上記第１の光吸収層を含んでいる。
【００４２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記電流ブロック層が第１の光吸収層を含んでいるので、リッジとリッジ以外の部分との実効屈折率差を確実に大きく出来る。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４４】
（実施形態１）
図１に、本発明の第１実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図を示す。
【００４５】
上記半導体レーザ素子は、亜鉛面を成長主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａドーピング濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎ（窒素）ドーピング濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８がこの順で積層されている。
【００４６】
ここでは、上記ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０３が下クラッド層の一例に、上記量子井戸活性層１０５が発光層の一例に、上記ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７が上クラッド層の一例に、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８がコンタクト層の一例にそれぞれ相当している。
【００４７】
上記量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏ井戸層は３層ある。
【００４８】
上記ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７は、エッチング加工でリッジストライプ状に形成されたリッジ１０７ａを有している。上記リッジ上１０７ａには、リッジストライプ状のｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が形成されている。これらのリッジ１０７ａおよびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の幅は２μｍに設定されている。また、上記リッジ１０７ａおよびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の側面は、電流狭窄のための電流ブロック層の一例としてのｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９によって埋め込まれている。このｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９にはＧａが１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。
【００４９】
また、上記ｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９の層厚方向のほぼ中央には、第１の光吸収層の一例としての厚さ１０ｎｍのｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０が形成されている。より詳しくは、上記ｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０はリッジ１０７ａの両側に形成されている。そして、上記ｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０にはＧａが１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。
【００５０】
また、上記ｎ型ＺｎＯ基板１０１の下にはｎ型オーミック電極１１１が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の上にはｐ型オーミック電極１１２が形成されている。
【００５１】
上記構成の積層構造を作製後、ＺｎＯ基板１０１を劈開して端面ミラーを形成し、保護膜をその端面ミラーに真空蒸着した後、ＺｎＯ基板１０１を３００μｍに素子分離した。
【００５２】
上記半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られ、光出力３０ｍＷまでキンクは発生しなかった。
【００５３】
比較例１として、光吸収層１１０を形成しない他は本実施形態１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例１の半導体レーザ素子は、図２に示すように光出力７ｍＷでキンクが発生し、また、図３に示すように水平方向の発振光の遠視野像にゆらぎが生じた。
【００５４】
比較例２として、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７のリッジ１０７ａ幅を１μｍとし、光吸収層１１０を形成しない他は本実施形態１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例２の半導体レーザ素子は、キンクは抑制されて本実施形態１と同じになったが、発振閾値電流に大きなばらつきが生じると共に、動作電圧が倍以上に増大した。また、上記比較例２の半導体レーザ素子に対して６０℃、３０ｍＷで寿命試験を行ったが、比較例２の半導体レーザ素子は、１００個のうち７０個が実用レベルの寿命（１，０００時間以上動作電流が変化しない）に達しなかった。
【００５５】
本実施形態１の半導体レーザ素子は、リッジ１０７ａの両側に、量子井戸活性層１０５のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの光吸収層１１０を形成しているので、光吸収層１１０が発振光を吸収して、導波路内外における実効屈折率差が増大する。その結果、単一横モード発振の安定性が高くなる。
【００５６】
また、上記単一横モード発振の安定性が優れているので、キンクレベル（キンクが生じる光出力）が高く、遠視野像にゆらぎが生じていない（図２，３参照）。
【００５７】
ところで、上記光吸収層１１０を用いずに、電流ブロック層１０９とは組成が異なるｎ型電流ブロック層で発振光を吸収した場合、ｎ型電流ブロック層は厚いので、ｎ型電流ブロック層による光吸収が大きく、発振閾値電流が増大してしまう。
【００５８】
これに対して、本実施形態１の半導体レーザ素子は、クラッド層１０７や電流ブロック層１０９よりも層厚が薄い光吸収層１１０で発振光を吸収するので、微小な光吸収量を制御出来きる。したがって、過剰損失によって発振閾値電流が増大することが無い。
【００５９】
上記実施形態１では、厚さ１０ｎｍのｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０をｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９で挟持した量子井戸構造としたが、光吸収層１１０のバンドギャップエネルギを大きくし、かつ、光吸収層１１０の層厚を厚くしても本発明の効果は得られる。しかし、ＭｇＺｎＯ混晶とＣｄＺｎＯ混晶では蒸気圧差など形成条件の違いが大きいので、光吸収層１１０を厚膜で形成するよりも、電流ブロック層１０９と光吸収層１１０との量子井戸構造とした方が信頼性の点で好ましい。
【００６０】
また、上記電流ブロック層１０９と光吸収層１１０とで構成する構造は、多重量子井戸構造を構成しても良いが、量子効果が大きくなるよう井戸幅を薄くして単一量子井戸構造にした方が、吸収係数の変化率が大きくなると共に、可飽和吸収を生じやすくなり損失が軽減するのでより好ましい。
【００６１】
以上より、上記光吸収層１１０の層厚は適度な吸収量を有する１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【００６２】
また、上記光吸収層１１０を形成する位置は、クラッド層１０７との界面を含む電流ブロック層１０９のどこでもよいが、活性層に近い方が吸収量が多くなりキンクレベルが向上する反面、発振閾値電流が増大する。よって半導体レーザ素子の用途やその他の特性との兼ね合いで適切な位置に形成すればよい。
【００６３】
また、上記光吸収層１１０の代わりに、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含む光吸収層、または、量子井戸構造を有する光吸収層を用いても良い。この場合は、上記光吸収層の光吸収量や吸収係数を精密に制御することが出来るので好ましい。また、上記量井戸構造が単一量井戸構造である場合は、特に微分吸収係数を大きく出来ると共に、損失を低減出来る。
【００６４】
また、上記光吸収層１１０は、電流ブロック層１０９内に形成していたが、電流ブロック層１０９の上方に形成しても良い。
【００６５】
また、上記光吸収層１１０の代わりに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む光吸収層を用いても良い。
【００６６】
また、上記光吸収層１１０の代わりに、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む光吸収層、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含む光吸収層を用いても良い。
【００６７】
以下、本実施形態１において本発明の効果を最大限に得るための他の構成について説明するが、その他の実施形態においてその構成を任意に用いてもよい。
【００６８】
本実施形態１の半導体レーザ素子は、固体または気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またＺｎＧａ_２Ｏ_４などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので特に好ましい。
【００６９】
本実施形態１の半導体レーザ素子は、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層１０７上に直接ｐ型オーミック電極１１２を形成せず、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を設けて接触抵抗を低減しキャリア注入を均一化して、発振閾値電流を低減させているので好ましい。コンタクト層材料には、結晶性に優れキャリア濃度を高く出来るＺｎＯを用いることが好ましい。ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８に過剰にアクセプタ不純物ドーピングすると結晶性劣化が顕著となり、本発明の効果が減少するので、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８へのドーピングは５×１０^１６〜５×１０^１９ｃｍ^−３のキャリア濃度範囲となるように行われることが好ましい。
【００７０】
基板材料としては、本実施形態１で用いたＺｎＯ基板以外にも、サファイアやスピネルまたはＬｉＧａＯ_２などの絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮなどの導電性基板を用いることが出来る。
【００７１】
上記絶縁性基板を用いる場合は、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＺｎＯバッファ層１０２を露出させ、その上にｎ型オーミック電極１１１を形成すればよい。この場合、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２は、コンタクト層を兼ねるので低電気抵抗であることが好ましく、ドナー不純物のドーピング濃度が１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３の範囲が好ましく、更には５×１０^１９〜５×１０^２０ｃｍ^−３の範囲で調整されることが好ましい。また、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２の膜厚は、０．００１〜１μｍ、好ましくは０．００５〜０．５μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．１μｍの範囲に調整されることが好ましい。
【００７２】
また、可視領域における発光効率を最大限に得るためには下記（１）〜（３）の条件を満たすことが好ましい。
（１） ＺｎＯとの面内格子定数差が３％以内であり、非発光中心となる欠陥を低減出来る。
（２） 発光波長に対応する吸収係数が低い。
（３） 導電性基板であり、裏面に電極を形成出来る。
【００７３】
本実施形態１で基板１０１として用いたＺｎＯ単結晶は、上記（１）〜（３）の条件を全て満し、最も好ましい。また、上記基板１０１は成長主面として亜鉛面を用いるので、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、電気抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００７４】
本実施形態１のように高品質なＺｎＯ基板を用いる場合は、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２は形成しなくてもよいが、導電性基板であっても格子不整合の存在する異種基板を用いる場合などは、結晶性の良好な成長層を得るために形成した方が好ましい。
【００７５】
ｐ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするアクセプタ不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、ＣｕおよびＡｇや、Ｖ族元素のＮ、ＡｓおよびＰなどを用いることが出来るが、本発明の効果を最大限に得るためには、活性化率が高いＮ、ＬｉとＡｇが特に好ましく、更にＮはＮ_２をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【００７６】
ｎ型ＺｎＯ系半導体層にドーピングするドナー不純物として、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎなどを用いることが出来るが、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌが好ましい。
【００７７】
ｐ型オーミック電極１１２には、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕなどを用いることが出来るが、それらの中でも低電気抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。また、上記ｐ型オーミック電極１１２として、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕの少なくとも２つを合金化させたものを用いてもよい。また、上記ｐ型オーミック電極１１２上にパッド電極を設けてもよい。この場合は、リードフレームへの実装プロセスが容易になるので好ましい。上記パッド電極の材料としてはボンディングが容易でＺｎＯ中へ拡散してもドナー不純物とならないＡｕが好ましい。
【００７８】
ｐ型電極形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に、接触抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は３００〜４００℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ_２または大気雰囲気中が好ましく、Ｎ_２では逆に電気抵抗が増大する。
【００７９】
上記ｎ型オーミック電極１１１にはＴｉ、ＣｒおよびＡｌなどを用いることが出来る。Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌなどの中でも低電気抵抗でコストが低いＡｌまたは密着性の良いＴｉが好ましい。また、上記ｎ型オーミック電極１１１としては、Ｔｉ、ＣｒおよびＡｌのうちの少なくと２つを合金化してものを用いてもよい。
【００８０】
その他の構成は任意であり、本実施形態１によって限定されるものではない。
【００８１】
（実施形態２）
図４（ａ）に、上記実施形態１の光吸収層１１０近傍のバンドダイヤグラムを示し、図４（ｂ）に、本実施形態２の光吸収層１１０近傍のバンドダイヤグラムを示す。
【００８２】
本発明の実施形態２の半導体レーザ素子は、図４（ｂ）に示すように、電流ブロック層１０９内に形成した光吸収層１１０の上側に、光吸収量を調整するために厚さ３０ｎｍのｎ型Ｃｄ_０．０５Ｚｎ_０．９５Ｏ光吸収緩衝層１１３を形成した他は実施形態１と同様にして作製する。
【００８３】
本実施形態２の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られ、光出力３０ｍＷまでの評価でキンクは発生しなかった。また、発振閾値電流が５ｍＡ低減した。
【００８４】
上記光吸収層１１０での光吸収量を減らすには、光吸収層１１０のバンドギャップエネルギを大きくしてもよいが、光吸収層１１０が量子井戸層である場合には、本実施形態２のように光吸収層１１０に接する緩衝層を設けることで量子準位が変化し、精密に吸収量を制御出来るので好ましい。
【００８５】
また、上記光吸収緩衝層１１３を形成する位置は光吸収層１１０の上下どちらでもよい。つまり、上記光吸収緩衝層１１３は、光吸収層１１０の量子井戸活性層１０５側に配置してもよいし、光吸収層１１０の量子井戸活性層１０５とは反対側に配置してもよい。また、上記光吸収層１１０の上下両側に光吸収緩衝層を設けてもよい。つまり、上記光吸収層１１０を光吸収緩衝層で挟むようにしてもよい。
【００８６】
（実施形態３）
本発明の実施形態３の半導体レーザ素子は、光吸収層１１０を厚さ１０ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎで構成した他は実施形態１と同様にして作製する。
【００８７】
ＩＩＩ族窒化物半導体はＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱結晶構造を有し、格子定数や熱膨張係数がＺｎＯに極めて近いので、結晶性を損うこと無くＺｎＯ系半導体中に形成することが出来る。つまり、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎで構成した光吸収層は結晶性を失うことなくｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９内に設けることが出来る。
【００８８】
また、光吸収層の材料をＩｎＧａＮ混晶とすることにより、その光吸収層のバンドギャップエネルギを量子井戸活性層１０５のバンドギャップエネルギよりも小さくすることが出来る。したがって、上記光吸収層を光吸収層１１０の代わりに用いて、上記実施形態１と同様の効果を得ることが出来る。つまり、上記光吸収層のバンドギャップエネルギを、量子井戸活性層１０５の発振光を吸収するように小さくできれば、上記実施形態１と同様の効果を得られる。
【００８９】
具体的には、本実施形態３の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られ、光出力３０ｍＷまでの評価でキンクは発生しなかった。また、発振閾値電流は実施形態１とほぼ同じであった。
【００９０】
（実施形態４）
本発明の実施形態４の半導体レーザ素子は、光吸収層１１０を厚さ１０ｎｍのＺｎ_{０．９９５}Ｔｅ_{０．００５}Ｏで構成した他は実施形態１と同様にして作製する。
【００９１】
ＺｎＯとＺｎＴｅの混晶であるＺｎＴｅＯは、バンドギャップボウイングによってＺｎＯよりもバンドギャップエネルギが小さくなる。したがって、ＺｎＴｅＯで構成した光吸収層を光吸収層１１０の代わりに用いて、上記実施形態１と同様の効果を得ることが出来る。
【００９２】
具体的には、本実施形態４の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られ、光出力３０ｍＷまでの評価でキンクは発生しなかった。また、発振閾値電流は実施形態１とほぼ同じであった。
【００９３】
また、Ｔｅ組成が数％程度であれば、相分離せずにＺｎＯと同じウルツ鉱結晶構造を維持し、結晶性を損うこと無くＺｎＯ系半導体中に形成することが出来る。つまり、Ｔｅ組成が数％程度のＺｎＴｅＯで構成した光吸収層は結晶性を損なうことなくｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９内に設けることが出来る。
【００９４】
ＺｎＴｅＯのようなバンドギャップボウイング効果は、ＺｎＴｅとＺｎＯとの混晶以外にも、ＺｎＳとＺｎＯとの混晶、または、ＺｎＳｅとＺｎＯとの混晶によっても実現することが出来る。したがって、それらの混晶で構成した光吸収層を光吸収層１１０の代わりに用いて、上記実施形態１と同様の効果を得ることが出来る。
【００９５】
（実施形態５）
図５に、本発明の実施形態５のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図を示す。尚、図５において、図１で示した構成部と同一構成図には、図１の構成部と同一の参照番号を付して説明は省略する。
【００９６】
上記半導体レーザ素子は、実施形態１と同様にｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９内にＣｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０を第１の光吸収層の一例として形成したのに加え、上クラッド層の一例としてのｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０７内に厚さ３ｎｍのＣｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４を第２の光吸収層の一例として形成し、その他は上記実施形態１と同様にして作製する。
【００９７】
上記ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０７は、エッチング加工でリッジストライプ状に形成されたリッジ２０７ａを有している。このリッジ２０７ａの下方に、量子井戸活性層１０５の一部を含む導波路１０５ａが位置している。
【００９８】
上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４の一部は、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０７内に形成され、量子井戸活性層１０５の導波路１０５ａの直上に位置している。また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４において上記一部以外の部分は、ｎ型Ｍｇ_０．３Ｚｎ_０．７Ｏ電流ブロック層１０９とｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０７との間に形成されている。また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４の層厚は、Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４の全体にわたって均一になっている。
【００９９】
本実施形態５の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。光吸収層を２箇所に形成したため、発振閾値電流は実施形態１より３ｍＡ増大したが、キンクレベルは光出力５０ｍＷまで改善された。
【０１００】
また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４が導波路内で発振光を吸収したので垂直方向の放射角が１．５°狭くなった。
【０１０１】
本実施形態５の半導体レーザ素子をディジタル光記録に用いる場合、垂直放射角は１５°前後に制御されるが、その他の特性との兼ね合いから精密な制御を行うことが難しい。そこで、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１０，Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４を形成することにより、安定な単一横モード発振を得ると共に、垂直放射角を微細に調整することが出来る。
【０１０２】
上記実施形態５では、光吸収層１１４を第２の光吸収層の一例として用いていたが、光吸収層１１４の代わりに、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含む光吸収層を第２の光吸収層の一例として用いても良い。あるいは、上記光吸収層１１４の代わりに、量子井戸構造を有する光吸収層を第２の光吸収層の一例として用いてもよい。これらの場合は、上記光吸収層の光吸収量や吸収係数を精密に制御することが出来るので好ましい。また、上記量井戸構造が単一量井戸構造である場合は、特に微分吸収係数を大きく出来ると共に、損失を低減出来る。
【０１０３】
また、上記光吸収層１１４の代わりに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む光吸収層を用いても良い。
【０１０４】
また、上記光吸収層１１４の代わりに、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む光吸収層、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含む光吸収層を用いても良い。
【０１０５】
また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４は、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６とｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０７との間に形成しても良い。
【０１０６】
（実施形態６）
図６に、本発明の実施形態６のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図を示す。尚、図６において、図５で示した構成部と同一構成図には、図５の構成部と同一の参照番号を付して説明は省略する。
【０１０７】
上記半導体レーザ素子は、実施形態５と同様の第１光吸収層および第２光吸収層に加え、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０３内に厚さ３ｎｍのＣｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５を第３の光吸収層の一例として形成し、その他は実施形態５と同様にして作製する。
【０１０８】
上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５の一部が、量子井戸活性層１０５の一部を含む導波路１０５ａの直下に位置している。また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５は、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０３の層厚方向のほぼ中央に位置している。また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５の層厚は、Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５の全体にわたって均一になっている。
【０１０９】
本実施形態６の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。光吸収層を３箇所に形成したため、発振閾値電流は実施形態１より５ｍＡ増大したが、キンクレベルは光出力７０ｍＷまで改善された。
【０１１０】
また、上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１４およびＣｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５が導波路内の発振光を吸収したので垂直方向の放射角が３°狭くなった。
【０１１１】
上記実施形態６では、光吸収層１１５を第３の光吸収層の一例として用いていたが、光吸収層１１５の代わりに、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含む光吸収層を第３の光吸収層の一例として用いても良い。あるいは、上記光吸収層１１５の代わりに、量子井戸構造を有する光吸収層を第３の光吸収層の一例として用いてもよい。これらの場合は、上記光吸収層の光吸収量や吸収係数を精密に制御することが出来るので好ましい。また、上記量井戸構造が単一量井戸構造である場合は、特に微分吸収係数を大きく出来ると共に、損失を低減出来る。
【０１１２】
また、上記光吸収層１１５の代わりに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む光吸収層を用いても良い。
【０１１３】
また、上記光吸収層１１５の代わりに、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む光吸収層、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含む光吸収層を用いても良い。
【０１１４】
上記Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層１１５は、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４とｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０３との間、または、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２とｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層２０３との間に形成しても良い。
【０１１５】
上記実施形態１〜６では、基板上に、ｎ型ＺｎＯ系半導体層、量子井戸活性層およびｐ型ＺｎＯ系半導体層をこの順で積層していたが、ｐ型ＺｎＯ系半導体層、量子井戸活性層およびｎ型ＺｎＯ系半導体層をこの順で積層しても良い。
【０１１６】
上記実施形態１〜６では、量子井戸活性層１０５を発光層の一例として用いていたが、量子井戸構造を有さない発光層を発光層の一例として用いても良い。
【０１１７】
本発明は、ダブルへテロ構造の半導体レーザに適用できるのは勿論こと、シングルへテロ構造の半導体レーザにも適用することが出来る。
【０１１８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、上クラッド層のリッジの両側の領域の一部、または、その領域の上方には、活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第１の光吸収層が形成されているので、リッジ内外の実効屈折率差を微細に制御出来る。したがって、レーザ発振時の横モードを安定化させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図２】図２は、上記実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子における電流―光出力特性と、比較例１のＺｎＯ系半導体レーザ素子における電流―光出力特性とを示すグラフである。
【図３】図３は、上記実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子における水平方向の遠視野像と、比較例１のＺｎＯ系半導体レーザ素子における水平方向の遠視野像とを示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は上記実施形態１の光吸収層近傍のバンドダイヤグラムを示す図であり、図４（ｂ）は本発明の実施形態２の光吸収層近傍のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図５】図５は本発明の実施形態５のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図６】図６は本発明の実施形態６のＺｎＯ系半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＺｎＯ単結晶基板
１０５ 量子井戸活性層
１０７，２０７ ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層
１０７ａ，２０７ａ リッジ
１１０ ｎ型Ｃｄ_０．１５Ｚｎ_０．８５Ｏ光吸収層

Claims (15)

1. 基板上に形成された発光層と、この発光層上に形成され、リッジを含む上クラッド層とを備え、上記発光層および上記クラッド層がＺｎＯ系半導体からなる酸化物半導体発光素子において、
   上記リッジの両側の領域の一部、または、上記領域の上方には、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第１の光吸収層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記発光層の一部を含む導波路を備え、
   上記導波路の直上に配置され、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第２の光吸収層を備え、
   上記第２の光吸収層と上記上クラッド層とが積層されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
3. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記活性層は、上記上クラッドと、上記上クラッドの導電型とは異なる導電型の下クラッドとにより挟持されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
4. 請求項３に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記発光層の一部を含む導波路を備え、
   上記導波路の直下に配置され、上記活性層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する第３の光吸収層を備え、
   上記第３の光吸収層と上記下クラッド層とが積層されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
5. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記上クラッド層上には、上記上クラッドと同じ導電型のコンタクト層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
6. 請求項２に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
7. 請求項６に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
8. 請求項４に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
9. 請求項８に記載の酸化物半導体発光素子において、
   上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも１つを含む、または、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択された少なくとも２つから成る混晶を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
10. 請求項２に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
11. 請求項２に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記第１の光吸収層と上記第２の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
12. 請求項４に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、バンドギャップエネルギの異なる２層以上の層を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
13. 請求項４に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記第１の光吸収層と上記第３の光吸収層とのうちの少なくとも一方が、量子井戸構造を有することを特徴とする酸化物半導体発光素子。
14. 請求項１１または１３に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記量子井戸構造が単一量子井戸構造であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
15. 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
    上記リッジの両側の領域には、電流狭窄のための電流ブロック層が形成されていて、
    上記電流ブロック層が上記第１の光吸収層を含んでいることを特徴とする酸化物半導体発光素子。

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