JP2004311658A - 窒化物半導体レーザ素子、この窒化物半導体レーザ素子の製造方法およびこの窒化物半導体レーザ素子を用いた光学装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発振閾値電流密度が低く、かつ作製歩留まりの高い窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層との間に接して、層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である中間層が形成され、かつ、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接するアンドープの第２の窒化物半導体層とを少なくとも備えた窒化物半導体レーザ素子とする。
【選択図】 図１
【解決手段】量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層との間に接して、層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である中間層が形成され、かつ、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接するアンドープの第２の窒化物半導体層とを少なくとも備えた窒化物半導体レーザ素子とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子と、この素子を備えた半導体光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近紫外光などの短波長レーザ光は、長波長レーザ光よりもそのスポット径を小さく絞り込むことができ、その照射スポットの中心間隔を高密度化できる。それゆえ、光記録媒体上の書き込みビット情報間隔（記録密度）が高密度化した次世代型の光学式情報記録装置を実現するために、その光源として短波長レーザ光を照射できる素子が注目されている。このような素子として、窒化物半導体レーザ素子があげられる。
【０００３】
ところで、レーザ光は平行光線ではなく、拡がり角を有する扁平楕円型の拡散光線であるため、その拡がり角を表す指標としてファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が用いられている。このＦＦＰは、半導体レーザの層方向（横方向）に平行な半値全幅角や、それに垂直な半値全幅角（θ⊥）を代表値としており、前者よりも後者（θ⊥）の方が大きい。
【０００４】
このように扁平楕円型のＦＦＰを有しているレーザ光を用いて光記録媒体上にビット情報を書き込む場合、照射されたレーザ光の重なり合い（クロストーク）を避けるため、スポット相互間の中心間隔を広げて照射しなければならず、記録密度を十分に高めることができない。したがって、記録密度を十分に高めるためには、レーザ光のスポット形状を楕円型から真円型に近づけることが重要となる。
【０００５】
ここにおいて、発光層における光の閉じ込め効果を低下させると、前記半導体レーザの層方向に垂直な半値全幅角（θ⊥）が小さくなり、スポット形状がより真円型に近づくことが知られているが、この方法によるとレーザ素子の発振閾値電流密度が増大してしまう。
【０００６】
このため、発振閾値電流密度の増大を抑制しつつ、前記垂直な半値全幅角（θ⊥）を小さくするために、電子のオーバーキャリーを抑制して発振閾値電流密度を低減させる層（電子ブロック層）と、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸構造の発光層との間に、層厚２０〜６０ｎｍのＩｎＧａＮ層を設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
アプライド・フィジックス・レター、８０号、３４９７−３４９９ページ（Ｔ．Ａｓａｎｏ ｅｔ ａｌ． ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．８０（２００２）ｐ．３４９７−３４９９）
【０００８】
しかしながら、この非特許文献１に記載の技術を用いても、発光素子として実用に供するほどに低い発振閾値電流密度は得られず、加えて、電流密度の分散が大きくなってしまうため素子の作製歩留まりが悪くなるという課題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するものであり、発振閾値電流密度が低く、かつ作製歩留まりの高い窒化物半導体レーザ素子を提供することである。また、本発明の更なる目的は、この窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
【００１０】
【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素子は、基板と、前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とアンドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層とを有し、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のもう一つの態様の窒化物半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層とを有し、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
これらの構成であると、発光層とｐ型窒化物半導体層とに接して中間層が設けられているため、発光層とｐ型窒化物半導体層とにおける相対バンド構造の歪みが補正されて小さくなる。これにより、電子とホールが空間的に分離することが防止されるので、素子の発振閾値電流密度が低くなる。
【００１３】
さらに、中間層の発光層側に、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層が設けられているため、この素子におけるｐｎ接合位置が常に固定される。これにより、発振閾値電流密度の分散が小さくなるので、素子の作製歩留まりが向上する。
【００１４】
また、この中間層には、アンドープの第２の窒化物半導体層が設けられているので、第２の窒化物半導体層の層厚を変えることにより、第１の窒化物半導体層の層厚に直接依存せずに中間層の層厚を増加させることができる。これにより、上述の歪み補正効果に加えて、ホールが発光層へ注入される際に第１の窒化物半導体層に添加されているケイ素がホールを捕捉してしまう量を低減できる。したがって、発光層へのホールの注入効率が向上し発振閾値電流密度が低減する。さらにまた、この第２の窒化物半導体層はｐ型窒化物半導体層側に設けられているため、第１の窒化物半導体層の配置を発光層側に偏らせることができ、これにより、ｐｎ接合位置がより一層発光層側に近づくので、素子の発光効率が向上し発振閾値電流密度が低減する。
【００１５】
以上から、これらの構成であると、発振閾値電流密度が低く、かつ作製歩留まりの高い窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記中間層が、前記発光層と第１の窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を備える構成とすることができる。
【００１７】
この構成であると、第１の窒化物半導体層と発光層との距離を離すことができるため、第１の窒化物半導体層に添加されたケイ素が発光層より発せられた光を吸収してしまうこと（光の内部損失）を抑制できる。これにより、素子の発光効率がさらに向上し発振閾値電流密度が一層低減する。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記ｐ型窒化物半導体層の組成がＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮであり、かつ、前記組成中のＡｌ比が１０％以上２５％以下である構成とすることができる。
【００１９】
ｐ型窒化物半導体層としてＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層を用いると、発光層よりもバンドギャップエネルギーが高くなるため、電子のオーバーフローが抑制されキャリアの注入効率が向上する。しかしながら、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層は非常に強い自発分極性とピエゾ電解性を有しているため、発光層との相対バンド構造を大きく歪めてしまう要因となる。ここで、上記構成のように、そのＡｌ組成比を１０％以上２５％以下とすると、電子のオーバーフローを抑制する作用と相対バンド構造の歪みの発生を低減する作用とがバランスするので、素子の発振閾値電流密度を一層低減させることができる。
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第１の窒化物半導体層に添加されているケイ素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下である構成とすることができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第１の窒化物半導体層の層厚が前記中間層の層厚の４％以上６０％以下である構成とすることができる。
【００２２】
これらの構成であると、第１の窒化物半導体層がｎ型の導電性を発揮するため、素子におけるｐｎ接合位置が安定する。さらに、添加されているケイ素量が一定値以下となるため、捕捉されるホール量が低く抑えられ、発光層へのホール注入効率が向上する。
【００２３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記基板が窒化物半導体基板であり、かつ、前記基板と前記発光層との間に、厚さおよび／またはＡｌ組成比が異なる３つの層からなるＡｌＧａＮのｎ型クラッド層を備え、前記ｎ型クラッド層の総層厚が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記ｎ型クラッド層の中央層のＡｌ組成比が外側の２層よりも高い構成とすることができる。
【００２４】
この構成であると、レーザ光の垂直ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が基板側に移動する。これにより、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出しが減少し、ｐ型窒化物半導体層への光吸収が低減する。したがって、素子の発光効率が向上し、発振閾値電流密度が低減する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
〔実施の形態１〕
本発明の一例である半導体レーザ素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた量子井戸構造の発光層と、
Ｃ）この発光層の上に接して設けられた中間層と、
Ｄ）この中間層の上に接して設けられたｐ型窒化物半導体層と、
を少なくとも備える。
【００２６】
以下に、本発明の半導体レーザ素子における、中間層、発光層およびｐ型窒化物半導体層の好ましい構成について、詳しく説明する。
【００２７】
まず、発光層の最上層を規定することにより中間層の界面を規定しておく。
【００２８】
発光層は、井戸層とこれに接した障壁層とが交互に積層された量子井戸構造である。この積層順序は、基板側を基準として以下の２種類に限定される。
▲１▼ 井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層のように、最下層と最上層とが井戸層である構造。
▲２▼ 障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層のように、最下層が障壁層であり、最上層が井戸層の構造。
すなわち、本発明においては、発光層の最上層を井戸層と規定する。
【００２９】
これにより、本発明における中間層は、最上層の井戸層表面が下部界面であり、ｐ型窒化物半導体層の下層表面が上部界面であるものになる。
【００３０】
＜＜中間層の構成について＞＞
窒化物半導体は、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体と比べて強い自発分極性とピエゾ電界性を有している。このため、窒化物半導体レーザ素子では、これらの影響がｐ型窒化物半導体層と発光層とにおける相対バンド構造の歪みとして生じるので、電子とホールの再結合が妨げられ、発光効率が低下して発振閾値電流密度が増大する。
【００３１】
このような相対バンド構造の歪みによる電子とホールとの再結合の阻害は、ｐ型窒化物半導体層と発光層との物理的な距離が近いほど顕著である。そこで本実施の形態１では、この相対バンド構造の歪みによる悪影響を小さくする（歪みを補正する）ため、以下に示す所定層厚の中間層を設けた。
【００３２】
この層厚は２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。その理由は以下の２つによる。
▲１▼ 層厚が２０ｎｍよりも薄くなると、相対バンド構造の歪みによる電子とホールの再結合率の低下が防止できず、素子の発振閾値電流密度が増大する。さらに、この中間層が備えている、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層がｎ型の導電性を発揮できず、素子におけるｐｎ接合位置を安定させられないため、発振閾値電流密度の分散が増大する。
▲２▼ 層厚が１５０ｎｍよりも厚くなると、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層の層厚が相対的に増大するため、この第１の窒化物半導体層で捕捉されてしまうホール量が増大する。このため、発光層へのホール注入効率が低下して、素子の発振閾値電流密度が増大する。
【００３３】
ここでさらに、上述した好ましい層厚の範囲（２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下）は、目的とする作用効果に応じて以下の２つに大別することができる。
▲１▼（８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とする構成）
この範囲であると、相対バンド構造における歪みの補正作用が一層高まり、かつ、第１の窒化物半導体層の層厚増加によって素子のｐｎ接合位置がより安定する。これにより発振閾値電流密度が一層低減される。
▲２▼（２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とする構成）
この範囲であると、素子における発振閾値電流密度の温度依存性が小さくなる。したがって、この層厚をこの範囲とすると、高出力動作時におけるような発熱を伴う使用状態においても、素子が安定して動作する。
【００３４】
中間層の構成についてさらに説明する。
本発明の中間層は、
▲１▼ ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、
▲２▼ この第１の窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層と、
を少なくとも備えている。
さらに、この中間層は、
▲３▼ 発光層と第１の窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層
を備えることができる。
これら第１〜第３の窒化物半導体層について説明する。
【００３５】
＜ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層について＞
（１）第１の窒化物半導体層は、ケイ素が添加されたＧａＮ層またはケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層とすることができる。第１の窒化物半導体層が、ケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層であると、ＧａＮ層である場合よりも発光層に対するバンドギャップが大きくなるため、発光層からオーバーフローする電子量を抑制する作用が向上し、この結果、キャリアの注入効率が向上するため発振閾値電流密度が一層低減できる点で好ましい。ただしこの場合には、混晶層が介在することで相対バンド構造の歪みが増大してしまうため、Ａｌ組成比を５％以下とすることが好ましい。
【００３６】
（２）このケイ素が添加されたＧａＮ層またはケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層は中間層内に複数層形成されていてもよく、また、各組成が異なっていてもよい。ただし、複数層からなる第１の窒化物半導体層の層厚が中間層の層厚に対して４％以上６０％以下であることが好ましい。
この理由は以下の２つによる。
▲１▼ 層厚が中間層に対して４％よりも薄くなると、ｎ型半導体層としての電気的性質が発揮できないため、素子におけるｐｎ接合位置が不安定になる。
▲２▼ 層厚が中間層に対して６０％よりも厚くなると、添加ケイ素量の増加に伴って発光層からの光を吸収する量が顕著に増大する。また、この層は発光層の近傍に設けられているため、この層で光吸収量が増大すると、素子における光学ロスが顕著に増大する。
この第１の窒化物半導体層の層厚は、好ましくは６ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。この層厚であると、上述したｐｎ接合位置の安定化効果と光学ロスの防止効果がより一層相乗するため、さらに好ましい結果が得られるからである。
【００３７】
（３）上記ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層に添加されているケイ素含有量は、５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
この理由は以下の２つによる。
▲１▼ 含有量が５×１０１６ｃｍ−３よりも少なくなると、ｎ型半導体層としての電気的性質が発揮できないため、素子におけるｐｎ接合位置が不安定になる。
▲２▼ 含有量が５×１０１８ｃｍ−３よりも多くなると、上述した素子における光学ロスが顕著に増大する。さらに、不純物の添加量が多いほど半導体層が劣化しやすくなる。
【００３８】
＜アンドープの第２の窒化物半導体層について＞
第２の窒化物半導体層は、アンドープのＧａＮ層またはアンドープのＩｎＧａＮ層とすることができる。これらの層は、中間層内に複数層形成されていてもよく、各々の層の組成が異なっていてもよい。ただし、アンドープのＩｎＧａＮ層とする場合にはそのＩｎ組成比は１％以下であることが好ましく、０．３％以下であることがより好ましい。この理由は、このＩｎ組成比であるとＩｎが偏析しにくいため、ＩｎＧａＮ層の結晶性を低下させずに層厚を増加できるからである。
【００３９】
この第２の窒化物半導体層を形成する利点としては、次の２つがあげられる。
▲１▼ 中間層における第１の窒化物半導体層の配置を発光層側に偏らせることができ、これにより素子におけるｐｎ接合位置をより一層発光層側に近づけることができる。
▲２▼ 第１の窒化物半導体層の層厚に直接依存せずに中間層の層厚を増加させることができ、第２の窒化物半導体層には実質的にケイ素が添加されていないため、この層厚を増加させても発光層に注入されるホールが捕捉される量が増大しない。したがって、相対バンド構造における歪みを補正しつつ、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。
【００４０】
＜アンドープの第３の窒化物半導体層について＞
第３の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層と同様に、アンドープのＧａＮ層またはアンドープのＩｎＧａＮ層とすることができる。さらに、中間層内に複数層形成されていてもよく、また、各組成が異なっていてもよい。ただし、相対バンド構造における歪みを補正する目的からは、第２と第３の窒化物半導体層の組成および組成比が一致していることがより好ましい。また、この層を形成することにより、第１の窒化物半導体層と発光層とが直接的に接しなくなるため、上述した光学ロスの増大が抑制される。
【００４１】
＜＜発光層について＞＞
発光層は、井戸層とこれに接した障壁層とが交互に積層した量子井戸構造である。ここで、この発光層は以下に示す３種類の構成とすることができる。それぞれの構成について以下に説明する。
▲１▼ 第１の構成は、井戸層および障壁層がアンドープのＩｎＧａＮ層である。この構成であると、発光層全体に不純物がドーピングされていないため、発光層内での自由キャリアによる光散乱が低下し、光学ロスが減少する。
▲２▼ 第２の構成は、井戸層がアンドープのＩｎＧａＮ層であり、障壁層はケイ素が添加されたＧａＮ層である。この構成であると、障壁層のバンドギャップが井戸層のそれよりも顕著に大きくなるため、量子井戸効果が増大して光出力が向上する。
▲３▼ 第３の構成は、井戸層がアンドープのＩｎＧａＮ層であり、障壁層がアンドープのＧａＮ層である。この構成であると、発光層全体に不純物がドーピングされていないため、発光層内での自由キャリアによる光散乱が低下し、光学ロスが減少する。ただし、本発明者らが検討したところ、障壁層の層厚が井戸層の層厚の０．７倍以上１．８倍以下である場合において、発振閾値電流密度を低下させることができる。
【００４２】
なお、ここでは具体的なＩｎ組成比を示していないが、障壁層のバンドギャップが井戸層のそれよりも大きくなる組成比とすることは勿論である。また、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．３％以下である。この理由は、上述したように、この範囲であるとＩｎＧａＮ層の結晶性が低下しにくくなるためである。
【００４３】
＜＜ｐ型窒化物半導体層について＞＞
ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層とすることができる。この場合、発光層に対するこの層のバンドギャップが大きくなるため、発光層から電子がオーバーフローすることを抑制する作用が向上する。しかしながら、混晶組成にＡｌ原子を有する場合、強い自発分極性とピエゾ電解性を生じるため、ｐ型窒化物半導体層と発光層における相対バンド構造の歪みが増大してしまう。ただし、本発明者らによる検討結果から、このＡｌ組成比が１０％以上２５％以下であれば、相対バンド構造の歪みの増大による悪作用と電子のオーバーフローを抑制する好作用とが好適にバランスすることが見出されている。
【００４４】
＜＜ｎ型クラッド層について＞＞
本実施の形態１では、基板として窒化物半導体基板を用い、かつこの基板と発光層との間にｎ型クラッド層を設けることができる。
以下にその構成について説明する。
このｎ型クラッド層は、
▲１▼ ケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層からなる３層構造であり、
▲２▼ 総層厚が２μｍ以上５μｍ以下であり、
▲３▼ 各層は、層厚かつ／またはＡｌ組成比が異なり、
▲４▼ 中央層のＡｌ組成比が、外側層のＡｌ組成比よりも高い。
【００４５】
このようなｎ型クラッド層を備えた構成であると、基板と発光層との間に配置されている、このｎ型クラッド層を含む各半導体層における統合的な等価屈折率に起因して、発光層から生じたレーザ光の垂直ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が基板側に引き付けられる。この結果、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出し量が減り、この層に吸収されてしまう光量が少なくなるため、素子の発振閾値電流密度が低下する。
【００４６】
ここで、垂直ＦＦＰをｐ型窒化物半導体層から引き離し、基板側に引き寄せる目的からは、窒化物半導体基板がＧａＮ基板であることが好ましい。
【００４７】
また、素子中に発生するクラックを低減し、作製歩留まりを向上させる目的からは、基板をＡｌＧａＮ基板（Ａｌ組成１５％以下）とすることが好ましい。
【００４８】
＜＜半導体層へのヒ素原子またはリン原子の添加について＞＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子では、井戸層をＩｎＧａＮ層と規定している。ここで、井戸層の上に形成する各半導体層は、ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層とする上記構成に限らず、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子がさらに添加された組成とすることができる。このような組成であると、結晶成長温度が７００℃から１０５０℃の帯域において高い結晶性を得ることができるため、このレーザ素子が備える各半導体層の結晶性が向上する。以下にその理由を説明する。
【００４９】
インジウム（Ｉｎ）原子は約１０００℃以上において結晶構造内から激しく再蒸発してしまう。他方、約１０００℃よりも低い結晶成長温度では、結晶性の高いＧａＮ層やＡｌＧａＮ層を形成することが困難となる。それゆえ、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子がさらに添加された、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓおよびＡｌＧａＮＰなどの層組成とすると、混晶組成化による凝固点降下現象のため、Ｉｎ原子が再蒸発されにくい温度で井戸層上に各半導体層を結晶成長できる。この結果、井戸層の結晶性は劣化せず、かつその上に形成される半導体層の結晶性も高くなるため、素子を構成する半導体層全体の結晶性が高まる。
【００５０】
ここで、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子の添加量（組成比）は以下の範囲が好ましい。すなわち、この層に含有されたヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子の総組成比をＸとし、窒素（Ｎ）原子の組成比をＹとするとき、このＸとＹの値が以下の関係を満たす範囲である。
▲１▼ ＸがＹよりも小さい。ただし、Ｘの値は１×１０１８ｃｍ−３以上である。
▲２▼ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．３（３０％）以下であり、好ましくは０．１５（１５％）以下である。
上記範囲が好ましい理由は以下による。
▲１▼ Ｘの値がＹの値よりも大きくなると、この層の格子定数が井戸層と比べて顕著に異なるため、井戸層との相対バンド構造の歪みが増大し、また、界面における結着性が低下する。
▲１▼’ Ｘの値が１×１０１８ｃｍ−３よりも小さくなると、Ｉｎが再蒸発しにくい温度にまでその結晶成長温度が下がらない。
▲２▼ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）の値が１５％より高くなると、各窒化物半導体層内において原子組成比が異なる領域が形成されやすく（濃度分離が生じやすく）なるため、層の結晶性が安定しない。
▲２▼’ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）の値が３０％より高くなると、六方晶系と立方晶系が混在して結晶系が分離しやすくなるため、層の結晶性が著しく低下してしまう。
【００５１】
ところで、添加されたヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子は、必ずしもＶ族（Ａｓ、Ｐ、Ｎ原子に該当する）サイトに置換されている必要はない。本発明者らが検証したところ、例えばＧａＮＰ層においてはリン（Ｐ）原子がＩＩＩ族（Ｇａ原子に該当する）のサイトに置換されている可能性があるが、これにより結晶性が顕著に低下することはなかった。
【００５２】
ここで、上記条件をみたす層を発光層に適用すると、以下の２つの利点を有する半導体レーザ素子を提供できる。
▲１▼ 発光層の電子とホールの有効質量が小さくなるため、少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られる。この結果、レーザ素子における発振閾値電流密度が低減する。
▲２▼ 高い結晶性により電子とホールの移動度が大きくなるため、電子とホールが発光再結合しても、新しい電子とホールがすみやかに拡散、注入される。この結果、レーザ素子における自励発振特性（雑音特性）が向上する。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子であると、以下の▲１▼〜▲４▼に示す作用が得られるため、レーザ素子の発振閾値電流密度が顕著に低くなり、かつ、素子の作製歩留まりが向上する。
▲１▼ 所定の層厚の中間層が形成されているため、ｐ型窒化物半導体層と発光層との相対バンド構造の歪みが補正され電子とホールとの再結合効率が向上する。
▲２▼ ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層が形成されているため、素子におけるｐｎ接合位置が安定する。
▲３▼ 上記アンドープの第２の窒化物半導体層が第１の窒化物半導体層上に形成されているため、ケイ素の含有量を無用に増大させることなく中間層の層厚を増加でき、かつ、素子におけるｐｎ接合位置が発光側にシフトする。
▲４▼ ３層構造のｎ型クラッド層が形成されているため、垂直ＦＦＰを基板側に引き寄せて、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出しが抑制される。
【００５４】
なお、各半導体層にヒ素（Ａｓ）原子を添加する場合には、ヒ素源としてアルシン（分子式：ＡｓＨ３）またはターシャリブチルアルシン（分子式：ＣＡｓＨ２（ＣＨ３）３ＰＨ３）などを、リン（Ｐ）原子を添加する場合には、リン源としてホスフィン（分子式：ＰＨ３）またはターシャリブチルホスフィン（分子式：（Ｃ４Ｈ９Ｏ）３ＰＯ）などを、それぞれ用いることができる。
【００５５】
ここで、本実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子について、以下の実施例１〜６を例として、その構成およびその製造方法をさらに詳しく説明する。
【００５６】
［実施例１］
図１は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の構造例を表わす模式的な断面図であり、素子の共振器方向に垂直な断面を示している。この窒化物半導体レーザ素子は、図１に示すように、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１００と、その上に形成されたｎ型ＧａＮ層１０１と、その上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、その上に形成されたｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３と、その上に形成された発光層１０４と、その上に形成された中間層１０５と、その上に形成されたＡｌＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１０６と、その上に形成されたｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７と、その上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８と、その上に形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とからなる積層構造体であり、さらに、ｎ電極１１０と、ｐ電極１１１およびＳｉＯ２誘電体膜１１２が設けられている。
【００５７】
ここで、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ａと、第２のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ｂと、第３のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ｃとからなる３層構造体である。
【００５８】
上記構成の窒化物半導体レーザ素子を、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料の原料ガスを供給する、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）などの公知の方法を用い、以下のようにして製造した。
【００５９】
まず、ｎ型ＧａＮ基板１００を１０５０℃に調熱し、この基板上に、Ｖ族原料（窒素源）としてのアンモニア（分子式：ＮＨ３）と、ＩＩＩ族原料（ガリウム源）としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ、分子式：（ＣＨ３）３Ｇａ）と、ｎ型不純物源（ケイ素源）としてのモノシラン（分子式：ＳｉＨ４）とを供給し、ｎ型ＧａＮ層１０１（層厚：１μｍ）の下地層を形成した。
【００６０】
このように基板上にｎ型ＧａＮ層１０１を形成すると、ｎ型ＧａＮ基板１００における表面荒れが平滑化し、かつ、ｎ型ＧａＮ基板１００の作製に伴う応力歪みが緩和されるため、さらにその上に良好な結晶構造の半導体層を積層させることができる。
【００６１】
このｎ型ＧａＮ層１０１上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、アルミニウム源としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ、分子式： （ＣＨ３）３Ａｌ）、とモノシランとを供給し、図１に示す３層構造のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２を、以下のようにして形成した。
▲１▼ まず、ｎ型ＧａＮ層１０１上に下部外側層としてのｎ型Ａｌ０．０６２Ｇａ０．９３８Ｎクラッド層１０２ａ（層厚：２．３μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
▲２▼ 続いて、このクラッド層１０２ａ上に中央層としてのｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層１０２ｂ（層厚：０．１５μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８／ｃｍ３）を形成した。
▲３▼ さらに、このクラッド層１０２ｂ上に上部外側層としてのｎ型Ａｌ０．０６２Ｇａ０．９３８Ｎクラッド層１０２ｃ（層厚：０．１μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
【００６２】
次に、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、モノシランとを供給し、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３（層厚：０．１μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
【００６３】
次に、基板を７５０℃に調熱し、３周期の多重量子井戸構造である発光層１０４を形成した。以下に、この発光層１０４の形成工程を詳しく示す。
▲１▼ まず、上記ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、インジウム源としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ、分子式： （ＣＨ３）３Ｉｎ）とを供給し、アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：２０ｎｍ）を形成した。
▲２▼ 続いて、この障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を、この井戸層上にアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：８ｎｍ）を、この層厚８ｎｍの障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を、この井戸層上にアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：８ｎｍ）を、この障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を順に形成した。
【００６４】
ここで、それぞれの井戸層および障壁層は、不純物源を意図的に添加していない原料ガスを供給して形成しているため、形成された各層は実質的に不純物が添加されていないアンドープ層となる。
【００６５】
次に、中間層１０５（層厚：７０ｎｍ）を以下のようにして形成した。
▲１▼ まず、上記発光層１０４上にアンモニアとＴＭＧａとＴＭＩとを不純物源を添加せずに供給し、第３の窒化物半導体層としてのアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層（層厚：２０ｎｍ）を形成した。
▲２▼ 続いて、この第３の窒化物半導体層上にアンモニアとＴＭＧａとモノシランとを供給し、第１の窒化物半導体層としての、ケイ素（Ｓｉ）が添加されたＧａＮ層（層厚：１０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
▲３▼ さらに、この第１の窒化物半導体層上にアンモニアとＴＭＧａとを不純物源を添加せずに供給し、第２の窒化物半導体層としての、アンドープのＧａＮ層（層厚：４０ｎｍ）を形成した。
【００６６】
次に、基板を１０５０℃に調熱し、上記中間層の上にアンモニアとＴＭＧａとＴＭＡｌと、ｐ型不純物源（マグネシウム源）としてのビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣＰ２Ｍｇ、分子式：（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２Ｍｇ）とを供給し、ＡｌＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１０６（層厚：２０ｎｍ）を形成した。続いて、この層１０６上にアンモニアとＴＭＧａとＥｔＣＰ２Ｍｇとを供給し、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７（層厚：２０ｎｍ）を形成した。その後、この層１０７上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８（層厚：０．５μｍ）と、この層１０８上にｐ型ＧａＮコンタクト層１０９（層厚：０．１μｍ）とを順に形成して半導体レーザ素子のエピウエハーを得た。
【００６７】
ところで、上記ｐ型窒化物半導体層１０６におけるＡｌ組成比は０．３であり、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８におけるそれは０．０６２である。
【００６８】
次に、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて、このエピウエハーの上面が図１に示すような１．６μｍ幅のストライプ状のリッジ構造となるように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の一部をエッチングした。
【００６９】
続いて、このリッジ構造の側面とリッジ構造部以外のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の表面にＳｉＯ２絶縁膜１１２（膜厚：２００ｎｍ）を形成した。
【００７０】
次に、このＳｉＯ２絶縁膜１１２とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の表面にパラジウム（Ｐｄ）層（層厚：１５ｎｍ）を形成し、このＰｄ層上にモリブデン（Ｍｏ）層（層厚：１５ｎｍ）を積層し、さらにこのＭｏ層上に金（Ａｕ）層（層厚：２００ｎｍ）を積層して、ｐ電極１１１を形成した。
【００７１】
また、エピウエハーの裏面にハフニウム（Ｈｆ）層を形成し、このＨｆ層上にアルミニウム（Ａｌ）層を積層して、ｎ電極１１０を形成した。さらに、このｎ電極１１０上に金（Ａｕ）層を積層してｎ型電極パッドを形成し、半導体レーザ素子ウエハを完成させた。
【００７２】
最後に、この半導体レーザ素子ウエハをリッジストライプ構造と垂直な方向に劈開してレーザ共振器の端面を形成した後、分割し、本実施例１にかかる半導体発光素子を得た。
【００７３】
［実施例２］
本実施例２は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）ケイ素（Ｓｉ）が添加されたＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）を障壁層とした。
ｂ）発光層上に接して第１の窒化物半導体層を形成した。すなわち、第３の窒化物半導体層を形成しなかった。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとした。
ｄ）第２の窒化物半導体層の層厚を５０ｎｍとした。
【００７４】
ここで、以下の表１、２において、上記実施例１〜２および下記実施例３〜６における中間層および発光層の構成を示す。
【表１】
【表２】
【００７５】
［実施例３］
本実施例３は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）発光層上に接して第１の窒化物半導体層を形成した。すなわち、第３の窒化物半導体層を形成しなかった。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとした。
ｄ）第２の窒化物半導体層の層厚を５０ｎｍとした。
【００７６】
［実施例４］
本実施例４は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００１Ｇａ０．９９９Ｎ層（層厚：１０ｎｍ）とアンドープＧａＮ層（層厚：１０ｎｍ）とからなる第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとし、その不純物濃度を約５×１０１７／ｃｍ３とした。
【００７７】
［実施例５］
本実施例５は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００２Ｇａ０．９９８Ｎ層を第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）ケイ素が添加されたＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１７ｃｍ−３）とケイ素が添加されたＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層（層厚：１０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）とからなる第１の窒化物半導体層とした。
ｄ）アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層を第２の窒化物半導体層とした。
【００７８】
［実施例６］
本実施例６は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００２Ｇａ０．９９８Ｎ層（層厚：１０ｎｍ）を第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）ケイ素が添加されたＧａＮ層（層厚：３０ｎｍ、ケイ素濃度：約４×１０１７ｃｍ−３）を第１の窒化物半導体層とした。
ｄ）アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層（層厚：４０ｎｍ）とアンドープのＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ）とからなる第２の窒化物半導体層とした。
【００７９】
本実施例１〜６では、上述したように、レーザ素子の発振閾値電流密度が顕著に低くなり、約７０％以上と高い作製歩留まりが得られる。
【００８０】
〔実施の形態２〕
本実施の形態２は、上記実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体光学装置である。
この半導体光学装置は、
（Ａ）上記実施の形態１にかかる半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を駆動するレーザ光射出回路とからなるレーザ光射出制御手段と、
（Ｂ）前記半導体レーザ素子から射出したレーザ光を調光する調光手段と、
（Ｃ）前記調光されたレーザ光を所定の位置に照射する照射位置制御手段と、
を少なくとも備える。
【００８１】
なお、上記『調光』とは、レーザ光の集光、拡散および変調（位相、周波数、振幅）などを示す語句である。
【００８２】
上記構成の半導体光学装置であると、上記実施の形態１にかかるレーザ発振閾値電流密度が低い半導体レーザ素子を備えているため、半導体光学装置の駆動消費電力が低くなる。この結果、電源部が小型化され半導体光学装置の携帯性が向上する。また、照射レーザ中心間隔をより高密度化できるため、半導体光学装置における分解能（上述した書き込みビット情報を含む）を高めることができる。
【００８３】
ところで、このような本実施の形態２にかかる半導体光学装置としては、光ピックアップを備えた光ディスク装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、三原色（青色、緑色、赤色）レーザを備えたプロジェクター装置などがあげられる。
【００８４】
以下に、この半導体光学装置の一例である光ピックアップを備えた光ディスク装置について詳しく説明する。
［実施例７］
図２は、本発明の一例である光ディスク装置（光ピックアップを備えたＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ・Ｖａｒｓａｔｉｌｅ・Ｄｉｓｃ）装置などの光学装置）の構成を概念的に示した図である。図中の矢印付き太線はレーザ光の光路を、矢印付き細線はこの装置における電気信号の経路を示している。
【００８５】
この光ディスク装置は、
（ａ）光学式情報記録媒体２１０を回転させるモーター２０８と、前記モーター２０８を駆動するモーター駆動回路とからなるモーター制御手段と、
（ｂ）上記実施の形態１にかかる半導体レーザ素子２０１と、前記半導体レーザ素子２０１を駆動してレーザ光を射出するレーザ光射出回路とからなるレーザ光射出制御手段と、
（ｃ）光変調器２０２と、前記光変調器２０２を駆動して前記射出されたレーザ光を変調させるレーザ光変調回路とからなる変調手段と、
（ｄ）レーザ光を所定の方向に反射する追従鏡２０５と、前記追従鏡２０５を駆動して前記光学式情報記録媒体２１０上にレーザ光を照射する追従鏡駆動回路と、前記反射したレーザ光を前記光学式情報記録媒体２１０上に集光させて照射するとともに前記光学式情報記録媒体２１０で反射されたレーザ光を通過させる対物レンズ２０６とからなるレーザ光照射位置制御手段と、
（ｅ）前記変調されたレーザ光を透過するとともに前記光学式情報記録媒体２１０で反射されたレーザ光を偏光するビームスプリッター２０３と、
（ｆ）前記ビームスプリッター２０３で偏光されたレーザ光を検出する光検出器２０４と、前記光検出器２０４で検出された光学信号を電気信号に変換して前記光学式情報記録媒体２１０に記録された情報を再生する光電気変換回路とからなる情報再生手段と、
を備える。
【００８６】
ここで、本実施例７における光ピックアップ２０７は、図２に示すように、上記半導体レーザ素子２０１と、上記光変調器２０２と、上記ビームスプリッター２０３と、上記光検出器２０４と、上記追従鏡２０５と、上記対物レンズ２０６とからなる。また、制御回路２０９は、上記モーター駆動回路と、上記レーザ光射出回路と、上記レーザ光変調回路と、上記追従鏡駆動回路と、上記光電気変換回路とからなる。なお、図２では光学式情報記録媒体２１０を備えた構成を便宜的に示しているが、これは本発明の光ディスク装置の必須構成要素ではないことは勿論である。
【００８７】
この光ディスク装置では、上記半導体レーザ素子２０１は、再生用の光源、記録用の光源および消去用の光源を兼ねている。また、上記レーザ光射出回路、上記レーザ光変調回路および上記追従鏡駆動回路は、記録／消去／再生命令に基づいた電気信号を伝達することにより、異なる出力（例えば、記録時は約３０ｍＷ、再生時は約５ｍＷ）、周波数および位相のレーザ光を光学式情報記録媒体２１０上に照射できる。これにより、この光ディスク装置を、再生専用装置、記録再生装置または書き換え可能型再生装置として独立または並列に使用することができる。
【００８８】
ここで、この光ディスク装置におけるレーザ光の軌跡について説明する。記録動作時および消去動作時には、半導体レーザ素子２０１から出射したレーザ光が、光変調器２０２で調光され、ビームスプリッター２０３を経て、追従鏡２０５において入射方向と垂直に反射された後、対物レンズ２０６により光学式情報記録媒体２１０の情報記録面に集光される。この結果、光ディスクの情報記録面に、磁気変調もしくは屈折率変調が引き起こされ、ビット情報が書き込まれる。
【００８９】
他方、再生動作時には、記録時及び消去時と同様の過程を経て光ピックアップ２０７から出射したレーザ光が、凹凸形状、磁気変調または屈折率変調によりビット情報が記録されている光学式情報記録媒体２１０の情報記録面に集光される。集光されたレーザ光は、この情報記録面上で反射され、対物レンズ２０６および追従鏡２０５を経て、ビームスプリッター２０３にて入射方向と垂直に偏光された後、光検出器２０４に入射することにより、光学的に検出された信号が電気信号に変換される。この結果、光学式情報記録媒体２１０に記録されたビット情報が読み取られる。
【００９０】
〔その他の事項〕
（１）本発明の半導体レーザ素子の製造には、公知のガリウム源、インジウム源、窒素源およびアルミニウム源を用いることができる。例えば、ガリウム源として上記トリメチルガリウム以外に、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ、分子式：Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）、金属ガリウム、三塩化ガリウムおよび酸化ガリウム等を用いることができる。また、インジウム源として上記トリメチルインジウム以外に、トリエチルインジウム（ＴＥＩ、分子式：Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３）等を、窒素源として上記アンモニア以外に、窒素酸化物、尿素、ヒドラジン（分子式：Ｎ２Ｈ４）およびジメチルヒドラジン（分子式：（ＣＨ３）２ＮＮＨ２）等を、アルミニウム源として上記トリメチルアルミニウム以外にトリエチルアルミニウム等を、それぞれ用いることができる。
【００９１】
（２）ｎ型不純物としては、上記ケイ素（Ｓｉ）以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）からなる群のうちの少なくとも一種を用いることができる。ただし、均一な結晶構造を形成させる目的からケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）を用いることが好ましい。
【００９２】
（３）ｐ型不純物としては、上記マグネシウム（Ｍｇ）以外にも、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）からなる群のうちの少なくとも一種を用いることができる。ただし、ｐ型不純物をカドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）およびマグネシウム（Ｍｇ）とすると、それらの原料ガスを安価に入手しやすいため製造コストを削減できるので好ましい。ここで、カドミウム源としてはジエチルカドミウム（分子式：Ｃｄ（Ｃ２Ｈ５）２）またはジメチルカドミウム（分子式：Ｃｄ（ＣＨ３）２）が、亜鉛源としてはジエチルジンク（分子式：Ｚｎ（ＣＨ３）２）等の有機金属化合物ガスをそれぞれ用いることができる。
【００９３】
（４）基板としては、上記ＧａＮ基板以外にも、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板の（１１１）面、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板またはＳｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板を用いることができる。ただし、ＥＬＯＧ基板を用いる場合は、レーザの発振寿命を長寿命化するために、成長抑制膜（例えばＳｉＯ２膜）の幅の中央上方、および成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部分またはその電流狭窄部分が含まれないように作製することが好ましい。
【００９４】
（５）本発明の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層１０１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２との間にＧａＮＰ層、ＧａＮＡｓ層、ＧａＮＰ／ＧａＮ超格子層またはＧａＮＡｓ／ＧａＮ超格子層をさらに備えることができる。この構成であると、クラックを防止できるためより好ましい。
（６）発光層の井戸層は上記３層に限らず、６層以下であれば、発振閾値電流密度が低く、室温で連続発振するレーザ素子を提供できる。
（７）ｎ電極は、上記ハフニウム（Ｈｆ）層上にアルミニウム（Ａｌ）層を積層したＨｆ／Ａｌ材料系の他に、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）系、チタン（Ｔｉ）／モリブデン（Ｍｏ）系またはハフニウム（Ｈｆ）／金（Ａｕ）系等を用いることができる。
（８）ｐ型クラッド層は、上記ＡｌＧａＮ層以外に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子を用いることができる。
【００９５】
（９）上記実施の形態では、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子を示したが、本発明を発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードに適用できることは勿論である。また、この発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードを用いることにより、高輝度白色光源装置などを提供できる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体レーザ素子であると、以下に示す効果が得られるため、発振閾値電流密度が低下し、かつ作製歩留まりが向上する。
▲１▼ 上記層厚の中間層を設けてあるため、発光層とｐ型窒化物半導体層との相対バンド構造の歪みが補正される。
▲２▼ 中間層の発光層側にケイ素が添加された上記層厚の第１の窒化物半導体層を設けてあるため、この素子におけるｐｎ接合位置が安定し、発振閾値電流密度の分散が小さくなる。
▲３▼ 中間層のｐ型窒化物半導体層側にアンドープの第２の窒化物半導体層を設けてあるため、第１の窒化物半導体層に依存せずに中間層の層厚が増加できる。これにより、発光層へのホールの注入効率が向上する。
【００９７】
さらに、本発明の半導体光学装置であると、上記窒化物半導体レーザ素子を備えているため装置の駆動消費電力が低くなる。これにより電源部が小型化され、半導体光学装置の携帯性が向上する。また、照射レーザ中心間隔をより高密度化できるため、半導体光学装置における分解能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の半導体光学装置の一例である光ディスク装置の主要な構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１００…ｎ型ＧａＮ基板
１０１…ｎ型ＧａＮ層
１０２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４…発光層
１０５…中間層
１０６…ｐ型窒化物半導体層
１０７…ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０８…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０９…ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１０…ｎ電極
１１１…ｐ電極
１１２…ＳｉＯ２誘電体膜
２０１…窒化物半導体レーザ素子
２０２…光変調器
２０３…ビームスプリッター
２０４…光検出器
２０５…追従鏡
２０６…対物レンズ
２０７…光ピックアップ
２０８…モーター
２０９…制御回路
２１０…光学式情報記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子と、この素子を備えた半導体光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近紫外光などの短波長レーザ光は、長波長レーザ光よりもそのスポット径を小さく絞り込むことができ、その照射スポットの中心間隔を高密度化できる。それゆえ、光記録媒体上の書き込みビット情報間隔（記録密度）が高密度化した次世代型の光学式情報記録装置を実現するために、その光源として短波長レーザ光を照射できる素子が注目されている。このような素子として、窒化物半導体レーザ素子があげられる。
【０００３】
ところで、レーザ光は平行光線ではなく、拡がり角を有する扁平楕円型の拡散光線であるため、その拡がり角を表す指標としてファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が用いられている。このＦＦＰは、半導体レーザの層方向（横方向）に平行な半値全幅角や、それに垂直な半値全幅角（θ⊥）を代表値としており、前者よりも後者（θ⊥）の方が大きい。
【０００４】
このように扁平楕円型のＦＦＰを有しているレーザ光を用いて光記録媒体上にビット情報を書き込む場合、照射されたレーザ光の重なり合い（クロストーク）を避けるため、スポット相互間の中心間隔を広げて照射しなければならず、記録密度を十分に高めることができない。したがって、記録密度を十分に高めるためには、レーザ光のスポット形状を楕円型から真円型に近づけることが重要となる。
【０００５】
ここにおいて、発光層における光の閉じ込め効果を低下させると、前記半導体レーザの層方向に垂直な半値全幅角（θ⊥）が小さくなり、スポット形状がより真円型に近づくことが知られているが、この方法によるとレーザ素子の発振閾値電流密度が増大してしまう。
【０００６】
このため、発振閾値電流密度の増大を抑制しつつ、前記垂直な半値全幅角（θ⊥）を小さくするために、電子のオーバーキャリーを抑制して発振閾値電流密度を低減させる層（電子ブロック層）と、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸構造の発光層との間に、層厚２０〜６０ｎｍのＩｎＧａＮ層を設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
アプライド・フィジックス・レター、８０号、３４９７−３４９９ページ（Ｔ．Ａｓａｎｏ ｅｔ ａｌ． ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．８０（２００２）ｐ．３４９７−３４９９）
【０００８】
しかしながら、この非特許文献１に記載の技術を用いても、発光素子として実用に供するほどに低い発振閾値電流密度は得られず、加えて、電流密度の分散が大きくなってしまうため素子の作製歩留まりが悪くなるという課題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するものであり、発振閾値電流密度が低く、かつ作製歩留まりの高い窒化物半導体レーザ素子を提供することである。また、本発明の更なる目的は、この窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
【００１０】
【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素子は、基板と、前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とアンドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層とを有し、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のもう一つの態様の窒化物半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層とを有し、前記中間層が、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
これらの構成であると、発光層とｐ型窒化物半導体層とに接して中間層が設けられているため、発光層とｐ型窒化物半導体層とにおける相対バンド構造の歪みが補正されて小さくなる。これにより、電子とホールが空間的に分離することが防止されるので、素子の発振閾値電流密度が低くなる。
【００１３】
さらに、中間層の発光層側に、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層が設けられているため、この素子におけるｐｎ接合位置が常に固定される。これにより、発振閾値電流密度の分散が小さくなるので、素子の作製歩留まりが向上する。
【００１４】
また、この中間層には、アンドープの第２の窒化物半導体層が設けられているので、第２の窒化物半導体層の層厚を変えることにより、第１の窒化物半導体層の層厚に直接依存せずに中間層の層厚を増加させることができる。これにより、上述の歪み補正効果に加えて、ホールが発光層へ注入される際に第１の窒化物半導体層に添加されているケイ素がホールを捕捉してしまう量を低減できる。したがって、発光層へのホールの注入効率が向上し発振閾値電流密度が低減する。さらにまた、この第２の窒化物半導体層はｐ型窒化物半導体層側に設けられているため、第１の窒化物半導体層の配置を発光層側に偏らせることができ、これにより、ｐｎ接合位置がより一層発光層側に近づくので、素子の発光効率が向上し発振閾値電流密度が低減する。
【００１５】
以上から、これらの構成であると、発振閾値電流密度が低く、かつ作製歩留まりの高い窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記中間層が、前記発光層と第１の窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を備える構成とすることができる。
【００１７】
この構成であると、第１の窒化物半導体層と発光層との距離を離すことができるため、第１の窒化物半導体層に添加されたケイ素が発光層より発せられた光を吸収してしまうこと（光の内部損失）を抑制できる。これにより、素子の発光効率がさらに向上し発振閾値電流密度が一層低減する。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記ｐ型窒化物半導体層の組成がＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮであり、かつ、前記組成中のＡｌ比が１０％以上２５％以下である構成とすることができる。
【００１９】
ｐ型窒化物半導体層としてＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層を用いると、発光層よりもバンドギャップエネルギーが高くなるため、電子のオーバーフローが抑制されキャリアの注入効率が向上する。しかしながら、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層は非常に強い自発分極性とピエゾ電解性を有しているため、発光層との相対バンド構造を大きく歪めてしまう要因となる。ここで、上記構成のように、そのＡｌ組成比を１０％以上２５％以下とすると、電子のオーバーフローを抑制する作用と相対バンド構造の歪みの発生を低減する作用とがバランスするので、素子の発振閾値電流密度を一層低減させることができる。
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第１の窒化物半導体層に添加されているケイ素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下である構成とすることができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記第１の窒化物半導体層の層厚が前記中間層の層厚の４％以上６０％以下である構成とすることができる。
【００２２】
これらの構成であると、第１の窒化物半導体層がｎ型の導電性を発揮するため、素子におけるｐｎ接合位置が安定する。さらに、添加されているケイ素量が一定値以下となるため、捕捉されるホール量が低く抑えられ、発光層へのホール注入効率が向上する。
【００２３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに、前記基板が窒化物半導体基板であり、かつ、前記基板と前記発光層との間に、厚さおよび／またはＡｌ組成比が異なる３つの層からなるＡｌＧａＮのｎ型クラッド層を備え、前記ｎ型クラッド層の総層厚が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記ｎ型クラッド層の中央層のＡｌ組成比が外側の２層よりも高い構成とすることができる。
【００２４】
この構成であると、レーザ光の垂直ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が基板側に移動する。これにより、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出しが減少し、ｐ型窒化物半導体層への光吸収が低減する。したがって、素子の発光効率が向上し、発振閾値電流密度が低減する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
〔実施の形態１〕
本発明の一例である半導体レーザ素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた量子井戸構造の発光層と、
Ｃ）この発光層の上に接して設けられた中間層と、
Ｄ）この中間層の上に接して設けられたｐ型窒化物半導体層と、
を少なくとも備える。
【００２６】
以下に、本発明の半導体レーザ素子における、中間層、発光層およびｐ型窒化物半導体層の好ましい構成について、詳しく説明する。
【００２７】
まず、発光層の最上層を規定することにより中間層の界面を規定しておく。
【００２８】
発光層は、井戸層とこれに接した障壁層とが交互に積層された量子井戸構造である。この積層順序は、基板側を基準として以下の２種類に限定される。
▲１▼ 井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層のように、最下層と最上層とが井戸層である構造。
▲２▼ 障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層のように、最下層が障壁層であり、最上層が井戸層の構造。
すなわち、本発明においては、発光層の最上層を井戸層と規定する。
【００２９】
これにより、本発明における中間層は、最上層の井戸層表面が下部界面であり、ｐ型窒化物半導体層の下層表面が上部界面であるものになる。
【００３０】
＜＜中間層の構成について＞＞
窒化物半導体は、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体と比べて強い自発分極性とピエゾ電界性を有している。このため、窒化物半導体レーザ素子では、これらの影響がｐ型窒化物半導体層と発光層とにおける相対バンド構造の歪みとして生じるので、電子とホールの再結合が妨げられ、発光効率が低下して発振閾値電流密度が増大する。
【００３１】
このような相対バンド構造の歪みによる電子とホールとの再結合の阻害は、ｐ型窒化物半導体層と発光層との物理的な距離が近いほど顕著である。そこで本実施の形態１では、この相対バンド構造の歪みによる悪影響を小さくする（歪みを補正する）ため、以下に示す所定層厚の中間層を設けた。
【００３２】
この層厚は２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。その理由は以下の２つによる。
▲１▼ 層厚が２０ｎｍよりも薄くなると、相対バンド構造の歪みによる電子とホールの再結合率の低下が防止できず、素子の発振閾値電流密度が増大する。さらに、この中間層が備えている、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層がｎ型の導電性を発揮できず、素子におけるｐｎ接合位置を安定させられないため、発振閾値電流密度の分散が増大する。
▲２▼ 層厚が１５０ｎｍよりも厚くなると、ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層の層厚が相対的に増大するため、この第１の窒化物半導体層で捕捉されてしまうホール量が増大する。このため、発光層へのホール注入効率が低下して、素子の発振閾値電流密度が増大する。
【００３３】
ここでさらに、上述した好ましい層厚の範囲（２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下）は、目的とする作用効果に応じて以下の２つに大別することができる。
▲１▼（８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とする構成）
この範囲であると、相対バンド構造における歪みの補正作用が一層高まり、かつ、第１の窒化物半導体層の層厚増加によって素子のｐｎ接合位置がより安定する。これにより発振閾値電流密度が一層低減される。
▲２▼（２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とする構成）
この範囲であると、素子における発振閾値電流密度の温度依存性が小さくなる。したがって、この層厚をこの範囲とすると、高出力動作時におけるような発熱を伴う使用状態においても、素子が安定して動作する。
【００３４】
中間層の構成についてさらに説明する。
本発明の中間層は、
▲１▼ ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、
▲２▼ この第１の窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層と、
を少なくとも備えている。
さらに、この中間層は、
▲３▼ 発光層と第１の窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層
を備えることができる。
これら第１〜第３の窒化物半導体層について説明する。
【００３５】
＜ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層について＞
（１）第１の窒化物半導体層は、ケイ素が添加されたＧａＮ層またはケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層とすることができる。第１の窒化物半導体層が、ケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層であると、ＧａＮ層である場合よりも発光層に対するバンドギャップが大きくなるため、発光層からオーバーフローする電子量を抑制する作用が向上し、この結果、キャリアの注入効率が向上するため発振閾値電流密度が一層低減できる点で好ましい。ただしこの場合には、混晶層が介在することで相対バンド構造の歪みが増大してしまうため、Ａｌ組成比を５％以下とすることが好ましい。
【００３６】
（２）このケイ素が添加されたＧａＮ層またはケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層は中間層内に複数層形成されていてもよく、また、各組成が異なっていてもよい。ただし、複数層からなる第１の窒化物半導体層の層厚が中間層の層厚に対して４％以上６０％以下であることが好ましい。
この理由は以下の２つによる。
▲１▼ 層厚が中間層に対して４％よりも薄くなると、ｎ型半導体層としての電気的性質が発揮できないため、素子におけるｐｎ接合位置が不安定になる。
▲２▼ 層厚が中間層に対して６０％よりも厚くなると、添加ケイ素量の増加に伴って発光層からの光を吸収する量が顕著に増大する。また、この層は発光層の近傍に設けられているため、この層で光吸収量が増大すると、素子における光学ロスが顕著に増大する。
この第１の窒化物半導体層の層厚は、好ましくは６ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。この層厚であると、上述したｐｎ接合位置の安定化効果と光学ロスの防止効果がより一層相乗するため、さらに好ましい結果が得られるからである。
【００３７】
（３）上記ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層に添加されているケイ素含有量は、５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
この理由は以下の２つによる。
▲１▼ 含有量が５×１０１６ｃｍ−３よりも少なくなると、ｎ型半導体層としての電気的性質が発揮できないため、素子におけるｐｎ接合位置が不安定になる。
▲２▼ 含有量が５×１０１８ｃｍ−３よりも多くなると、上述した素子における光学ロスが顕著に増大する。さらに、不純物の添加量が多いほど半導体層が劣化しやすくなる。
【００３８】
＜アンドープの第２の窒化物半導体層について＞
第２の窒化物半導体層は、アンドープのＧａＮ層またはアンドープのＩｎＧａＮ層とすることができる。これらの層は、中間層内に複数層形成されていてもよく、各々の層の組成が異なっていてもよい。ただし、アンドープのＩｎＧａＮ層とする場合にはそのＩｎ組成比は１％以下であることが好ましく、０．３％以下であることがより好ましい。この理由は、このＩｎ組成比であるとＩｎが偏析しにくいため、ＩｎＧａＮ層の結晶性を低下させずに層厚を増加できるからである。
【００３９】
この第２の窒化物半導体層を形成する利点としては、次の２つがあげられる。
▲１▼ 中間層における第１の窒化物半導体層の配置を発光層側に偏らせることができ、これにより素子におけるｐｎ接合位置をより一層発光層側に近づけることができる。
▲２▼ 第１の窒化物半導体層の層厚に直接依存せずに中間層の層厚を増加させることができ、第２の窒化物半導体層には実質的にケイ素が添加されていないため、この層厚を増加させても発光層に注入されるホールが捕捉される量が増大しない。したがって、相対バンド構造における歪みを補正しつつ、発光層へのキャリア注入効率を向上させることができる。
【００４０】
＜アンドープの第３の窒化物半導体層について＞
第３の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層と同様に、アンドープのＧａＮ層またはアンドープのＩｎＧａＮ層とすることができる。さらに、中間層内に複数層形成されていてもよく、また、各組成が異なっていてもよい。ただし、相対バンド構造における歪みを補正する目的からは、第２と第３の窒化物半導体層の組成および組成比が一致していることがより好ましい。また、この層を形成することにより、第１の窒化物半導体層と発光層とが直接的に接しなくなるため、上述した光学ロスの増大が抑制される。
【００４１】
＜＜発光層について＞＞
発光層は、井戸層とこれに接した障壁層とが交互に積層した量子井戸構造である。ここで、この発光層は以下に示す３種類の構成とすることができる。それぞれの構成について以下に説明する。
▲１▼ 第１の構成は、井戸層および障壁層がアンドープのＩｎＧａＮ層である。この構成であると、発光層全体に不純物がドーピングされていないため、発光層内での自由キャリアによる光散乱が低下し、光学ロスが減少する。
▲２▼ 第２の構成は、井戸層がアンドープのＩｎＧａＮ層であり、障壁層はケイ素が添加されたＧａＮ層である。この構成であると、障壁層のバンドギャップが井戸層のそれよりも顕著に大きくなるため、量子井戸効果が増大して光出力が向上する。
▲３▼ 第３の構成は、井戸層がアンドープのＩｎＧａＮ層であり、障壁層がアンドープのＧａＮ層である。この構成であると、発光層全体に不純物がドーピングされていないため、発光層内での自由キャリアによる光散乱が低下し、光学ロスが減少する。ただし、本発明者らが検討したところ、障壁層の層厚が井戸層の層厚の０．７倍以上１．８倍以下である場合において、発振閾値電流密度を低下させることができる。
【００４２】
なお、ここでは具体的なＩｎ組成比を示していないが、障壁層のバンドギャップが井戸層のそれよりも大きくなる組成比とすることは勿論である。また、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は１％以下であることが好ましく、より好ましくは０．３％以下である。この理由は、上述したように、この範囲であるとＩｎＧａＮ層の結晶性が低下しにくくなるためである。
【００４３】
＜＜ｐ型窒化物半導体層について＞＞
ｐ型窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＧａＮ層とすることができる。この場合、発光層に対するこの層のバンドギャップが大きくなるため、発光層から電子がオーバーフローすることを抑制する作用が向上する。しかしながら、混晶組成にＡｌ原子を有する場合、強い自発分極性とピエゾ電解性を生じるため、ｐ型窒化物半導体層と発光層における相対バンド構造の歪みが増大してしまう。ただし、本発明者らによる検討結果から、このＡｌ組成比が１０％以上２５％以下であれば、相対バンド構造の歪みの増大による悪作用と電子のオーバーフローを抑制する好作用とが好適にバランスすることが見出されている。
【００４４】
＜＜ｎ型クラッド層について＞＞
本実施の形態１では、基板として窒化物半導体基板を用い、かつこの基板と発光層との間にｎ型クラッド層を設けることができる。
以下にその構成について説明する。
このｎ型クラッド層は、
▲１▼ ケイ素が添加されたＡｌＧａＮ層からなる３層構造であり、
▲２▼ 総層厚が２μｍ以上５μｍ以下であり、
▲３▼ 各層は、層厚かつ／またはＡｌ組成比が異なり、
▲４▼ 中央層のＡｌ組成比が、外側層のＡｌ組成比よりも高い。
【００４５】
このようなｎ型クラッド層を備えた構成であると、基板と発光層との間に配置されている、このｎ型クラッド層を含む各半導体層における統合的な等価屈折率に起因して、発光層から生じたレーザ光の垂直ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が基板側に引き付けられる。この結果、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出し量が減り、この層に吸収されてしまう光量が少なくなるため、素子の発振閾値電流密度が低下する。
【００４６】
ここで、垂直ＦＦＰをｐ型窒化物半導体層から引き離し、基板側に引き寄せる目的からは、窒化物半導体基板がＧａＮ基板であることが好ましい。
【００４７】
また、素子中に発生するクラックを低減し、作製歩留まりを向上させる目的からは、基板をＡｌＧａＮ基板（Ａｌ組成１５％以下）とすることが好ましい。
【００４８】
＜＜半導体層へのヒ素原子またはリン原子の添加について＞＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子では、井戸層をＩｎＧａＮ層と規定している。ここで、井戸層の上に形成する各半導体層は、ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層とする上記構成に限らず、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子がさらに添加された組成とすることができる。このような組成であると、結晶成長温度が７００℃から１０５０℃の帯域において高い結晶性を得ることができるため、このレーザ素子が備える各半導体層の結晶性が向上する。以下にその理由を説明する。
【００４９】
インジウム（Ｉｎ）原子は約１０００℃以上において結晶構造内から激しく再蒸発してしまう。他方、約１０００℃よりも低い結晶成長温度では、結晶性の高いＧａＮ層やＡｌＧａＮ層を形成することが困難となる。それゆえ、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子がさらに添加された、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓおよびＡｌＧａＮＰなどの層組成とすると、混晶組成化による凝固点降下現象のため、Ｉｎ原子が再蒸発されにくい温度で井戸層上に各半導体層を結晶成長できる。この結果、井戸層の結晶性は劣化せず、かつその上に形成される半導体層の結晶性も高くなるため、素子を構成する半導体層全体の結晶性が高まる。
【００５０】
ここで、ヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子の添加量（組成比）は以下の範囲が好ましい。すなわち、この層に含有されたヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子の総組成比をＸとし、窒素（Ｎ）原子の組成比をＹとするとき、このＸとＹの値が以下の関係を満たす範囲である。
▲１▼ ＸがＹよりも小さい。ただし、Ｘの値は１×１０１８ｃｍ−３以上である。
▲２▼ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．３（３０％）以下であり、好ましくは０．１５（１５％）以下である。
上記範囲が好ましい理由は以下による。
▲１▼ Ｘの値がＹの値よりも大きくなると、この層の格子定数が井戸層と比べて顕著に異なるため、井戸層との相対バンド構造の歪みが増大し、また、界面における結着性が低下する。
▲１▼’ Ｘの値が１×１０１８ｃｍ−３よりも小さくなると、Ｉｎが再蒸発しにくい温度にまでその結晶成長温度が下がらない。
▲２▼ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）の値が１５％より高くなると、各窒化物半導体層内において原子組成比が異なる領域が形成されやすく（濃度分離が生じやすく）なるため、層の結晶性が安定しない。
▲２▼’ Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）の値が３０％より高くなると、六方晶系と立方晶系が混在して結晶系が分離しやすくなるため、層の結晶性が著しく低下してしまう。
【００５１】
ところで、添加されたヒ素（Ａｓ）原子またはリン（Ｐ）原子は、必ずしもＶ族（Ａｓ、Ｐ、Ｎ原子に該当する）サイトに置換されている必要はない。本発明者らが検証したところ、例えばＧａＮＰ層においてはリン（Ｐ）原子がＩＩＩ族（Ｇａ原子に該当する）のサイトに置換されている可能性があるが、これにより結晶性が顕著に低下することはなかった。
【００５２】
ここで、上記条件をみたす層を発光層に適用すると、以下の２つの利点を有する半導体レーザ素子を提供できる。
▲１▼ 発光層の電子とホールの有効質量が小さくなるため、少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られる。この結果、レーザ素子における発振閾値電流密度が低減する。
▲２▼ 高い結晶性により電子とホールの移動度が大きくなるため、電子とホールが発光再結合しても、新しい電子とホールがすみやかに拡散、注入される。この結果、レーザ素子における自励発振特性（雑音特性）が向上する。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子であると、以下の▲１▼〜▲４▼に示す作用が得られるため、レーザ素子の発振閾値電流密度が顕著に低くなり、かつ、素子の作製歩留まりが向上する。
▲１▼ 所定の層厚の中間層が形成されているため、ｐ型窒化物半導体層と発光層との相対バンド構造の歪みが補正され電子とホールとの再結合効率が向上する。
▲２▼ ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層が形成されているため、素子におけるｐｎ接合位置が安定する。
▲３▼ 上記アンドープの第２の窒化物半導体層が第１の窒化物半導体層上に形成されているため、ケイ素の含有量を無用に増大させることなく中間層の層厚を増加でき、かつ、素子におけるｐｎ接合位置が発光側にシフトする。
▲４▼ ３層構造のｎ型クラッド層が形成されているため、垂直ＦＦＰを基板側に引き寄せて、ｐ型窒化物半導体層へのレーザ光の染み出しが抑制される。
【００５４】
なお、各半導体層にヒ素（Ａｓ）原子を添加する場合には、ヒ素源としてアルシン（分子式：ＡｓＨ３）またはターシャリブチルアルシン（分子式：ＣＡｓＨ２（ＣＨ３）３ＰＨ３）などを、リン（Ｐ）原子を添加する場合には、リン源としてホスフィン（分子式：ＰＨ３）またはターシャリブチルホスフィン（分子式：（Ｃ４Ｈ９Ｏ）３ＰＯ）などを、それぞれ用いることができる。
【００５５】
ここで、本実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子について、以下の実施例１〜６を例として、その構成およびその製造方法をさらに詳しく説明する。
【００５６】
［実施例１］
図１は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の構造例を表わす模式的な断面図であり、素子の共振器方向に垂直な断面を示している。この窒化物半導体レーザ素子は、図１に示すように、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１００と、その上に形成されたｎ型ＧａＮ層１０１と、その上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、その上に形成されたｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３と、その上に形成された発光層１０４と、その上に形成された中間層１０５と、その上に形成されたＡｌＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１０６と、その上に形成されたｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７と、その上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８と、その上に形成されたｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とからなる積層構造体であり、さらに、ｎ電極１１０と、ｐ電極１１１およびＳｉＯ２誘電体膜１１２が設けられている。
【００５７】
ここで、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ａと、第２のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ｂと、第３のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２ｃとからなる３層構造体である。
【００５８】
上記構成の窒化物半導体レーザ素子を、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料の原料ガスを供給する、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）などの公知の方法を用い、以下のようにして製造した。
【００５９】
まず、ｎ型ＧａＮ基板１００を１０５０℃に調熱し、この基板上に、Ｖ族原料（窒素源）としてのアンモニア（分子式：ＮＨ３）と、ＩＩＩ族原料（ガリウム源）としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ、分子式：（ＣＨ３）３Ｇａ）と、ｎ型不純物源（ケイ素源）としてのモノシラン（分子式：ＳｉＨ４）とを供給し、ｎ型ＧａＮ層１０１（層厚：１μｍ）の下地層を形成した。
【００６０】
このように基板上にｎ型ＧａＮ層１０１を形成すると、ｎ型ＧａＮ基板１００における表面荒れが平滑化し、かつ、ｎ型ＧａＮ基板１００の作製に伴う応力歪みが緩和されるため、さらにその上に良好な結晶構造の半導体層を積層させることができる。
【００６１】
このｎ型ＧａＮ層１０１上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、アルミニウム源としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ、分子式： （ＣＨ３）３Ａｌ）、とモノシランとを供給し、図１に示す３層構造のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２を、以下のようにして形成した。
▲１▼ まず、ｎ型ＧａＮ層１０１上に下部外側層としてのｎ型Ａｌ０．０６２Ｇａ０．９３８Ｎクラッド層１０２ａ（層厚：２．３μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
▲２▼ 続いて、このクラッド層１０２ａ上に中央層としてのｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎクラッド層１０２ｂ（層厚：０．１５μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８／ｃｍ３）を形成した。
▲３▼ さらに、このクラッド層１０２ｂ上に上部外側層としてのｎ型Ａｌ０．０６２Ｇａ０．９３８Ｎクラッド層１０２ｃ（層厚：０．１μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
【００６２】
次に、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、モノシランとを供給し、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３（層厚：０．１μｍ、ケイ素濃度：１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
【００６３】
次に、基板を７５０℃に調熱し、３周期の多重量子井戸構造である発光層１０４を形成した。以下に、この発光層１０４の形成工程を詳しく示す。
▲１▼ まず、上記ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３上に、アンモニアと、ＴＭＧａと、インジウム源としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ、分子式： （ＣＨ３）３Ｉｎ）とを供給し、アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：２０ｎｍ）を形成した。
▲２▼ 続いて、この障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を、この井戸層上にアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：８ｎｍ）を、この層厚８ｎｍの障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を、この井戸層上にアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ障壁層（層厚：８ｎｍ）を、この障壁層上にアンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ井戸層（層厚：４ｎｍ）を順に形成した。
【００６４】
ここで、それぞれの井戸層および障壁層は、不純物源を意図的に添加していない原料ガスを供給して形成しているため、形成された各層は実質的に不純物が添加されていないアンドープ層となる。
【００６５】
次に、中間層１０５（層厚：７０ｎｍ）を以下のようにして形成した。
▲１▼ まず、上記発光層１０４上にアンモニアとＴＭＧａとＴＭＩとを不純物源を添加せずに供給し、第３の窒化物半導体層としてのアンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層（層厚：２０ｎｍ）を形成した。
▲２▼ 続いて、この第３の窒化物半導体層上にアンモニアとＴＭＧａとモノシランとを供給し、第１の窒化物半導体層としての、ケイ素（Ｓｉ）が添加されたＧａＮ層（層厚：１０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）を形成した。
▲３▼ さらに、この第１の窒化物半導体層上にアンモニアとＴＭＧａとを不純物源を添加せずに供給し、第２の窒化物半導体層としての、アンドープのＧａＮ層（層厚：４０ｎｍ）を形成した。
【００６６】
次に、基板を１０５０℃に調熱し、上記中間層の上にアンモニアとＴＭＧａとＴＭＡｌと、ｐ型不純物源（マグネシウム源）としてのビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣＰ２Ｍｇ、分子式：（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２Ｍｇ）とを供給し、ＡｌＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１０６（層厚：２０ｎｍ）を形成した。続いて、この層１０６上にアンモニアとＴＭＧａとＥｔＣＰ２Ｍｇとを供給し、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７（層厚：２０ｎｍ）を形成した。その後、この層１０７上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８（層厚：０．５μｍ）と、この層１０８上にｐ型ＧａＮコンタクト層１０９（層厚：０．１μｍ）とを順に形成して半導体レーザ素子のエピウエハーを得た。
【００６７】
ところで、上記ｐ型窒化物半導体層１０６におけるＡｌ組成比は０．３であり、上記ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８におけるそれは０．０６２である。
【００６８】
次に、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて、このエピウエハーの上面が図１に示すような１．６μｍ幅のストライプ状のリッジ構造となるように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の一部をエッチングした。
【００６９】
続いて、このリッジ構造の側面とリッジ構造部以外のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の表面にＳｉＯ２絶縁膜１１２（膜厚：２００ｎｍ）を形成した。
【００７０】
次に、このＳｉＯ２絶縁膜１１２とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の表面にパラジウム（Ｐｄ）層（層厚：１５ｎｍ）を形成し、このＰｄ層上にモリブデン（Ｍｏ）層（層厚：１５ｎｍ）を積層し、さらにこのＭｏ層上に金（Ａｕ）層（層厚：２００ｎｍ）を積層して、ｐ電極１１１を形成した。
【００７１】
また、エピウエハーの裏面にハフニウム（Ｈｆ）層を形成し、このＨｆ層上にアルミニウム（Ａｌ）層を積層して、ｎ電極１１０を形成した。さらに、このｎ電極１１０上に金（Ａｕ）層を積層してｎ型電極パッドを形成し、半導体レーザ素子ウエハを完成させた。
【００７２】
最後に、この半導体レーザ素子ウエハをリッジストライプ構造と垂直な方向に劈開してレーザ共振器の端面を形成した後、分割し、本実施例１にかかる半導体発光素子を得た。
【００７３】
［実施例２］
本実施例２は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）ケイ素（Ｓｉ）が添加されたＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）を障壁層とした。
ｂ）発光層上に接して第１の窒化物半導体層を形成した。すなわち、第３の窒化物半導体層を形成しなかった。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとした。
ｄ）第２の窒化物半導体層の層厚を５０ｎｍとした。
【００７４】
ここで、以下の表１、２において、上記実施例１〜２および下記実施例３〜６における中間層および発光層の構成を示す。
【表１】
［実施例３］
本実施例３は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）発光層上に接して第１の窒化物半導体層を形成した。すなわち、第３の窒化物半導体層を形成しなかった。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとした。
ｄ）第２の窒化物半導体層の層厚を５０ｎｍとした。
【００７６】
［実施例４］
本実施例４は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００１Ｇａ０．９９９Ｎ層（層厚：１０ｎｍ）とアンドープＧａＮ層（層厚：１０ｎｍ）とからなる第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）第１の窒化物半導体層の層厚を２０ｎｍとし、その不純物濃度を約５×１０１７／ｃｍ３とした。
【００７７】
［実施例５］
本実施例５は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００２Ｇａ０．９９８Ｎ層を第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）ケイ素が添加されたＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１７ｃｍ−３）とケイ素が添加されたＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層（層厚：１０ｎｍ、ケイ素濃度：約１×１０１８ｃｍ−３）とからなる第１の窒化物半導体層とした。
ｄ）アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層を第２の窒化物半導体層とした。
【００７８】
［実施例６］
本実施例６は、以下の点を変更した以外は上記実施例１と同様である。
ａ）アンドープのＧａＮ層（層厚：４ｎｍ）を障壁層とした。
ｂ）アンドープのＩｎ０．００２Ｇａ０．９９８Ｎ層（層厚：１０ｎｍ）を第３の窒化物半導体層とした。
ｃ）ケイ素が添加されたＧａＮ層（層厚：３０ｎｍ、ケイ素濃度：約４×１０１７ｃｍ−３）を第１の窒化物半導体層とした。
ｄ）アンドープのＩｎ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎ層（層厚：４０ｎｍ）とアンドープのＧａＮ層（層厚：２０ｎｍ）とからなる第２の窒化物半導体層とした。
【００７９】
本実施例１〜６では、上述したように、レーザ素子の発振閾値電流密度が顕著に低くなり、約７０％以上と高い作製歩留まりが得られる。
【００８０】
〔実施の形態２〕
本実施の形態２は、上記実施の形態１にかかる窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体光学装置である。
この半導体光学装置は、
（Ａ）上記実施の形態１にかかる半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を駆動するレーザ光射出回路とからなるレーザ光射出制御手段と、
（Ｂ）前記半導体レーザ素子から射出したレーザ光を調光する調光手段と、
（Ｃ）前記調光されたレーザ光を所定の位置に照射する照射位置制御手段と、
を少なくとも備える。
【００８１】
なお、上記『調光』とは、レーザ光の集光、拡散および変調（位相、周波数、振幅）などを示す語句である。
【００８２】
上記構成の半導体光学装置であると、上記実施の形態１にかかるレーザ発振閾値電流密度が低い半導体レーザ素子を備えているため、半導体光学装置の駆動消費電力が低くなる。この結果、電源部が小型化され半導体光学装置の携帯性が向上する。また、照射レーザ中心間隔をより高密度化できるため、半導体光学装置における分解能（上述した書き込みビット情報を含む）を高めることができる。
【００８３】
ところで、このような本実施の形態２にかかる半導体光学装置としては、光ピックアップを備えた光ディスク装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、三原色（青色、緑色、赤色）レーザを備えたプロジェクター装置などがあげられる。
【００８４】
以下に、この半導体光学装置の一例である光ピックアップを備えた光ディスク装置について詳しく説明する。
［実施例７］
図２は、本発明の一例である光ディスク装置（光ピックアップを備えたＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ・Ｖａｒｓａｔｉｌｅ・Ｄｉｓｃ）装置などの光学装置）の構成を概念的に示した図である。図中の矢印付き太線はレーザ光の光路を、矢印付き細線はこの装置における電気信号の経路を示している。
【００８５】
この光ディスク装置は、
（ａ）光学式情報記録媒体２１０を回転させるモーター２０８と、前記モーター２０８を駆動するモーター駆動回路とからなるモーター制御手段と、
（ｂ）上記実施の形態１にかかる半導体レーザ素子２０１と、前記半導体レーザ素子２０１を駆動してレーザ光を射出するレーザ光射出回路とからなるレーザ光射出制御手段と、
（ｃ）光変調器２０２と、前記光変調器２０２を駆動して前記射出されたレーザ光を変調させるレーザ光変調回路とからなる変調手段と、
（ｄ）レーザ光を所定の方向に反射する追従鏡２０５と、前記追従鏡２０５を駆動して前記光学式情報記録媒体２１０上にレーザ光を照射する追従鏡駆動回路と、前記反射したレーザ光を前記光学式情報記録媒体２１０上に集光させて照射するとともに前記光学式情報記録媒体２１０で反射されたレーザ光を通過させる対物レンズ２０６とからなるレーザ光照射位置制御手段と、
（ｅ）前記変調されたレーザ光を透過するとともに前記光学式情報記録媒体２１０で反射されたレーザ光を偏光するビームスプリッター２０３と、
（ｆ）前記ビームスプリッター２０３で偏光されたレーザ光を検出する光検出器２０４と、前記光検出器２０４で検出された光学信号を電気信号に変換して前記光学式情報記録媒体２１０に記録された情報を再生する光電気変換回路とからなる情報再生手段と、
を備える。
【００８６】
ここで、本実施例７における光ピックアップ２０７は、図２に示すように、上記半導体レーザ素子２０１と、上記光変調器２０２と、上記ビームスプリッター２０３と、上記光検出器２０４と、上記追従鏡２０５と、上記対物レンズ２０６とからなる。また、制御回路２０９は、上記モーター駆動回路と、上記レーザ光射出回路と、上記レーザ光変調回路と、上記追従鏡駆動回路と、上記光電気変換回路とからなる。なお、図２では光学式情報記録媒体２１０を備えた構成を便宜的に示しているが、これは本発明の光ディスク装置の必須構成要素ではないことは勿論である。
【００８７】
この光ディスク装置では、上記半導体レーザ素子２０１は、再生用の光源、記録用の光源および消去用の光源を兼ねている。また、上記レーザ光射出回路、上記レーザ光変調回路および上記追従鏡駆動回路は、記録／消去／再生命令に基づいた電気信号を伝達することにより、異なる出力（例えば、記録時は約３０ｍＷ、再生時は約５ｍＷ）、周波数および位相のレーザ光を光学式情報記録媒体２１０上に照射できる。これにより、この光ディスク装置を、再生専用装置、記録再生装置または書き換え可能型再生装置として独立または並列に使用することができる。
【００８８】
ここで、この光ディスク装置におけるレーザ光の軌跡について説明する。記録動作時および消去動作時には、半導体レーザ素子２０１から出射したレーザ光が、光変調器２０２で調光され、ビームスプリッター２０３を経て、追従鏡２０５において入射方向と垂直に反射された後、対物レンズ２０６により光学式情報記録媒体２１０の情報記録面に集光される。この結果、光ディスクの情報記録面に、磁気変調もしくは屈折率変調が引き起こされ、ビット情報が書き込まれる。
【００８９】
他方、再生動作時には、記録時及び消去時と同様の過程を経て光ピックアップ２０７から出射したレーザ光が、凹凸形状、磁気変調または屈折率変調によりビット情報が記録されている光学式情報記録媒体２１０の情報記録面に集光される。集光されたレーザ光は、この情報記録面上で反射され、対物レンズ２０６および追従鏡２０５を経て、ビームスプリッター２０３にて入射方向と垂直に偏光された後、光検出器２０４に入射することにより、光学的に検出された信号が電気信号に変換される。この結果、光学式情報記録媒体２１０に記録されたビット情報が読み取られる。
【００９０】
〔その他の事項〕
（１）本発明の半導体レーザ素子の製造には、公知のガリウム源、インジウム源、窒素源およびアルミニウム源を用いることができる。例えば、ガリウム源として上記トリメチルガリウム以外に、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ、分子式：Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３）、金属ガリウム、三塩化ガリウムおよび酸化ガリウム等を用いることができる。また、インジウム源として上記トリメチルインジウム以外に、トリエチルインジウム（ＴＥＩ、分子式：Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３）等を、窒素源として上記アンモニア以外に、窒素酸化物、尿素、ヒドラジン（分子式：Ｎ２Ｈ４）およびジメチルヒドラジン（分子式：（ＣＨ３）２ＮＮＨ２）等を、アルミニウム源として上記トリメチルアルミニウム以外にトリエチルアルミニウム等を、それぞれ用いることができる。
【００９１】
（２）ｎ型不純物としては、上記ケイ素（Ｓｉ）以外にも、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）からなる群のうちの少なくとも一種を用いることができる。ただし、均一な結晶構造を形成させる目的からケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）を用いることが好ましい。
【００９２】
（３）ｐ型不純物としては、上記マグネシウム（Ｍｇ）以外にも、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）からなる群のうちの少なくとも一種を用いることができる。ただし、ｐ型不純物をカドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）およびマグネシウム（Ｍｇ）とすると、それらの原料ガスを安価に入手しやすいため製造コストを削減できるので好ましい。ここで、カドミウム源としてはジエチルカドミウム（分子式：Ｃｄ（Ｃ２Ｈ５）２）またはジメチルカドミウム（分子式：Ｃｄ（ＣＨ３）２）が、亜鉛源としてはジエチルジンク（分子式：Ｚｎ（ＣＨ３）２）等の有機金属化合物ガスをそれぞれ用いることができる。
【００９３】
（４）基板としては、上記ＧａＮ基板以外にも、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板の（１１１）面、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板またはＳｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板を用いることができる。ただし、ＥＬＯＧ基板を用いる場合は、レーザの発振寿命を長寿命化するために、成長抑制膜（例えばＳｉＯ２膜）の幅の中央上方、および成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部分またはその電流狭窄部分が含まれないように作製することが好ましい。
【００９４】
（５）本発明の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層１０１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２との間にＧａＮＰ層、ＧａＮＡｓ層、ＧａＮＰ／ＧａＮ超格子層またはＧａＮＡｓ／ＧａＮ超格子層をさらに備えることができる。この構成であると、クラックを防止できるためより好ましい。
（６）発光層の井戸層は上記３層に限らず、６層以下であれば、発振閾値電流密度が低く、室温で連続発振するレーザ素子を提供できる。
（７）ｎ電極は、上記ハフニウム（Ｈｆ）層上にアルミニウム（Ａｌ）層を積層したＨｆ／Ａｌ材料系の他に、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）系、チタン（Ｔｉ）／モリブデン（Ｍｏ）系またはハフニウム（Ｈｆ）／金（Ａｕ）系等を用いることができる。
（８）ｐ型クラッド層は、上記ＡｌＧａＮ層以外に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子を用いることができる。
【００９５】
（９）上記実施の形態では、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子を示したが、本発明を発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードに適用できることは勿論である。また、この発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードを用いることにより、高輝度白色光源装置などを提供できる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体レーザ素子であると、以下に示す効果が得られるため、発振閾値電流密度が低下し、かつ作製歩留まりが向上する。
▲１▼ 上記層厚の中間層を設けてあるため、発光層とｐ型窒化物半導体層との相対バンド構造の歪みが補正される。
▲２▼ 中間層の発光層側にケイ素が添加された上記層厚の第１の窒化物半導体層を設けてあるため、この素子におけるｐｎ接合位置が安定し、発振閾値電流密度の分散が小さくなる。
▲３▼ 中間層のｐ型窒化物半導体層側にアンドープの第２の窒化物半導体層を設けてあるため、第１の窒化物半導体層に依存せずに中間層の層厚が増加できる。これにより、発光層へのホールの注入効率が向上する。
【００９７】
さらに、本発明の半導体光学装置であると、上記窒化物半導体レーザ素子を備えているため装置の駆動消費電力が低くなる。これにより電源部が小型化され、半導体光学装置の携帯性が向上する。また、照射レーザ中心間隔をより高密度化できるため、半導体光学装置における分解能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の半導体光学装置の一例である光ディスク装置の主要な構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１００…ｎ型ＧａＮ基板
１０１…ｎ型ＧａＮ層
１０２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４…発光層
１０５…中間層
１０６…ｐ型窒化物半導体層
１０７…ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０８…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０９…ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１０…ｎ電極
１１１…ｐ電極
１１２…ＳｉＯ２誘電体膜
２０１…窒化物半導体レーザ素子
２０２…光変調器
２０３…ビームスプリッター
２０４…光検出器
２０５…追従鏡
２０６…対物レンズ
２０７…光ピックアップ
２０８…モーター
２０９…制御回路
２１０…光学式情報記録媒体
Claims (18)
- 基板と、
前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とアンドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、
前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、
前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層と、
を有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記中間層が、
ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層と
を少なくとも備え、
かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 基板と、
前記基板の上に設けられた、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とが積層された量子井戸構造の発光層と、
前記発光層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、
前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、窒化物半導体からなる中間層と、
を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記中間層が、
ケイ素が添加された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接して設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層と
を少なくとも備え、
かつ、前記中間層の層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記ＧａＮからなる障壁層にケイ素が添加されていることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記ＧａＮからなる障壁層がアンドープのＧａＮからなる障壁層である
ことを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記中間層が、さらに、前記発光層と第１の窒化物半導体層との間に接して設けられたアンドープの窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を備える
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記ｐ型窒化物半導体層の組成がＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮであり、かつ、前記組成中のＡｌ比が１０％以上２５％以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の窒化物半導体層の層厚が前記中間層の層厚の４％以上６０％以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の窒化物半導体層の層厚が６ｎｍ以上３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の窒化物半導体層に添加されているケイ素の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の窒化物半導体層の組成がＡｌ組成比が５％以下のＡｌＧａＮである
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第２、第３の窒化物半導体層の組成がＧａＮまたはＩｎ組成比が１％以下のＩｎＧａＮである
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記障壁層、第２および第３の窒化物半導体層の組成が、Ｉｎ組成比が０．３％以下のＩｎＧａＮである
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記発光層および／または前記中間層の組成が、さらに、ヒ素および／またはリンを有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記基板が窒化物半導体基板であり、
かつ、前記基板と前記発光層との間に、厚さおよび／またはＡｌ組成比が異なる３つの層からなるＡｌＧａＮのｎ型クラッド層を備え、
前記ｎ型クラッド層の総層厚が２μｍ以上５μｍ以下であり、
前記ｎ型クラッド層の中央層のＡｌ組成比が外側の２層よりも高い
ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体基板がＧａＮ基板である
ことを特徴とする請求項１４記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 不純物源が添加されていない原料ガスを供給し、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層を形成する工程と、
不純物源が添加されていない原料ガスを供給し、アンドープのＩｎＧａＮからなる障壁層を形成する工程と、
前記井戸層を形成する工程と前記障壁層を形成する工程とを交互に繰り返して量子井戸構造の発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に接して窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、
ｐ型不純物源が添加された原料ガスを供給し、前記中間層の上に接してｐ型窒化物半導体層を形成する工程と
を備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
前記中間層を形成する工程が、
層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の中間層を形成する工程であり、
かつ、ｎ型不純物源が添加された原料ガスを供給し、前記発光層の上にｎ型不純物が添加された第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
不純物源が添加されていない原料ガスを供給し、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接してアンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 不純物源が添加されていない原料ガスを供給し、アンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層を形成する工程と、
ＧａＮからなる障壁層を形成する工程と、
前記井戸層を形成する工程と前記障壁層を形成する工程とを交互に繰り返して量子井戸構造の発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に接して窒化物半導体からなる中間層を形成する工程と、
ｐ型不純物源が添加された原料ガスを供給し、前記中間層の上に接してｐ型窒化物半導体層を形成する工程と
を備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記中間層を形成する工程が、
層厚が２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の中間層を形成する工程であり、
かつ、ｎ型不純物源が添加された原料ガスを供給し、前記発光層の上にｎ型不純物が添加された第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
不純物源が添加されていない原料ガスを供給し、前記第１の窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に接してアンドープの窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体光学装置。
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