JP2005039140A - 酸化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低雑音で信頼性の高い酸化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ＺｎＯ障壁層とＣｄ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ井戸層とを含む量子井戸活性層１０５を備えて自励発振する。これにより、強い励起子結合エネルギーを利用して量子効率の極めて高い誘導放出光を得ることが出来、自励発振特性を有することにより、低雑音で消費電力を低く抑えることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ素子に関し、さらに詳しくは、低雑音で信頼性の高い酸化物半導体レーザ素子に関する。

近年、高密度な光ディスク記録システムのレーザ光源として利用すべく、３〜３．５ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。特に、III族窒化物半導体の技術進展は目ざましく、光学特性や信頼性は既に実用化の域に達している。一方、酸化物半導体についても現在研究が進みつつあり、特に、ＺｎＯ（酸化亜鉛）は励起子結合エネルギーが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半導体レーザ素子を実現出来る可能性がある。

以下、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めてＺｎＯ系半導体と言う。

光ディスク記録システムに用いられる従来の半導体レーザ素子では、ディスク等で反射されたレーザ光が半導体レーザ素子へ再入射することによって雑音が発生する、所謂「戻り光雑音」が問題となっている。この戻り光雑音を低減するための手段として、自励発振現象を利用する方法が知られており、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いた７８０ｎｍ帯の自励発振型半導体レーザ素子に関する技術が特開平７−１７００１１号公報（特許文献１）、特開平１１−１１２０８７号公報（特許文献２）などに開示されている。また、上記高密度な光ディスク記録システムのレーザ光源として、紫外〜緑色の短波長帯のＧａＮ系半導体レーザ素子が用いられている。このＧａＮ系半導体レーザ素子を自励発振させる技術が、特開平９−１９１１６０号公報（特許文献３）、特開２００２−９４１８９号公報（特許文献４）などに開示されている。

ところで、ＺｎＯ系半導体は強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型の導電型制御が困難であったが、Applied Physics Letters Vol.８１ (２００２) p１８３０などに示されているように、アクセプタ不純物として窒素（Ｎ）を用いることで再現性よくｐ型層が得られるようになった。

これにより、ＺｎＯ系半導体を用いて実用的な電子デバイスを作製する研究がさかんになり、特に強い結合エネルギーを有する自由励起子を利用したＺｎＯ系半導体発光素子に関して、国際公開第００／１６４１１号パンフレット（特許文献５）、特開２００１−４４５００号公報（特許文献６）、特開２００１−２８７９９８号公報（特許文献７）、特開２００２−１６２８５号公報（特許文献８）などに多くの技術が開示されている。

しかし、ＺｎＯ系半導体を始めとする酸化物半導体を用いたレーザ素子に関しては、戻り光雑音を回避出来る好適な構造が未だ開示されていない。
特開平７−１７００１１号公報 特開平１１−１１２０８７号公報 特開平９−１９１１６０号公報 特開２００２−９４１８９号公報 国際公開第００／１６４１１号パンフレット 特開２００１−４４５００号公報 特開２００１−２８７９９８号公報 特開２００２−１６２８５号公報

そこで、本発明の目的は、低雑音で信頼性の高い酸化物半導体レーザ素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の酸化物半導体レーザ素子は、酸化物半導体を含む活性層を備え、自励発振することを特徴としている。

上記構成の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記活性層が酸化物半導体を含むので、強い励起子結合エネルギーを利用して量子効率の極めて高い誘導放出光を得ることが出来、また、自励発振特性を有するので、雑音および消費電力を低く抑えることが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、上記活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電極が順次積層され、
上記活性層に供給する電流を狭窄する電流狭窄機構を備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄機構はＺｎＯ系半導体を含み、
上記活性層は、利得領域と、この利得領域の両側に位置する可飽和吸収領域とを有する。

ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。

また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記ＺｎＯ系半導体は特に強い励起子発光が得られ、青色〜紫外域に対応するバンドギャップを有する直接遷移型酸化物半導体である。また、上記ＺｎＯ系半導体はバンドギャップ制御されたヘテロ構造や量子井戸構造を作製することが出来、実用的なレベルでレーザ発振に要求される構造を作製することが可能である。すなわち、上記ＺｎＯ系半導体は低閾値電流で動作する短波長半導体レーザ素子材料として非常に適している。

また、上記活性層では電流狭窄機構で狭窄された電流路の直下のみにキャリアが高密度に注入される。そして、上記キャリアが高密度に注入された高注入領域が反転分布状態となることによって、光学利得を生じてレーザ発振が起こる。つまり、上記活性層が利得領域を有して、レーザ発振が起こる。一方、上記活性層において高注入領域のすぐ側方の領域は、電流広がりの裾部分となるので低いキャリア注入がなされ、利得を生じるには至らず可飽和吸収領域として働く。すなわち、上記活性層は、利得領域の両側に位置する可飽和吸収領域を有することになる。このことにより、可飽和吸収層を別途設けること無く自励発振特性を有する酸化物半導体レーザ素子の実現が可能となる。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記電流狭窄機構で狭窄された電流路の幅は０．５〜３．０μｍの範囲内である。

ここで、電流路の幅とは、電流路において活性層に最も近い部分の幅を指す。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記電流路の幅が０．５〜３．０μｍの範囲にあるので、自励発振が生じやすくなると共に、動作電圧の増大とキンク発生を抑止することが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記活性層は、井戸層と障壁層との交互積層によって構成された量子井戸構造を含む。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記量子井戸構造を活性層が含むので、光学利得を増大させて発振閾値電流を低減出来ると共に、自励発振を生じやすくすることが出来る。

ところで、上記酸化物半導体はキャリア（特に正孔）の有効質量が大きいので、高速変調に追随出来ず、実用的な光出力レベルで自励発振が弱くなり、戻り光雑音を回避出来なくなることがある。このような問題を防ぐには、注入キャリアが活性層内に均一に分布するようにし、高速変調下においても再結合を促進出来る必要がある。

そこで、一実施形態の酸化物半導体レーザ素子では、上記井戸層の層厚を１〜８ｎｍの範囲内にする。これにより、上記井戸層の利得飽和を抑止し、且つ、井戸層内にキャリアを均一に分布させることが出来る。その結果、発振閾値電流を低減して良好な自励発振特性を得ることが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記障壁層の層厚は１〜８ｎｍの範囲内である。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記障壁層の層厚が１〜８ｎｍの範囲内であるので、井戸層へキャリアを効率よく閉じ込めることが出来ると共に、井戸層内にキャリアを均一に分布させることが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記井戸層の数は１〜５の範囲内である。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記井戸層の数が１〜５の範囲内であるから、活性層内にキャリアを均一に分布させることが出来ると共に、発振閾値電流が最も低くなるよう素子構造を最適化することが出来る。

上記井戸層が３層以上ある場合、この３層以上の井戸層のうち層厚方向の両端に位置する井戸層は、バンドギャップの大きいクラッド層のポテンシャルを感じやすい。このため、上記両端に位置する井戸層は、層厚方向の中央付近の井戸層（両端以外に位置する井戸層）と量子準位がずれる。このような量子準位のずれは自励発振を阻害してまう。

そこで、一実施形態の酸化物半導体レーザ素子では、上記井戸層の数は３以上であり、上記複数の井戸層のうち層厚方向の両端に位置する上記井戸層は、上記両端以外に位置する上記井戸層と組成比および層厚の少なくとも一方が異なるようにする。つまり、上記複数の井戸層において、層厚方向の両端に位置する井戸層と、層厚方向の両端しない他の井戸層とは、組成比および層厚の少なくとも一方が異なる。これにより、全量子井戸層の量子準位を揃えることが出来る。したがって、自励発振特性を改善出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記活性層は、上記井戸層の表面が引張応力を受けている歪量子井戸活性層である。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記井戸層の表面内に引張応力を与えることにより、価電子帯のバンド構造が変化する。その結果、キャリアの有効質量が軽減されて、移動度を増大させることが出来る。したがって、高速変調下においてもキャリアの再結合が促進され、高出力まで自励発振を維持することが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記活性層は、ＺｎＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＴｅＯのうちの少なくとも１つの３元ＺｎＯ系混晶半導体を含む。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記３元ＺｎＯ系混晶半導体は、価電子帯の状態密度が小さく、ＺｎＯやＣｄＺｎＯに比べキャリアの有効質量が小さい。したがって、上記３元ＺｎＯ系混晶半導体を活性層が含むことにより、高速変調下においてもキャリアが追随しやすくなって、高出力まで自励発振を維持することが出来る。

ところで、上記活性層の利得領域の側方の領域が可飽和吸収領域として働くには、その側方の領域が適度な低キャリア注入状態となることが必要である。

そこで、一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記電流狭窄機構は、上記活性層の上記電極側の端を含む平面から、上記第２導電型コンタクト層の上記電極側の端を含む平面までの任意の領域、または、上記活性層の上記基板側の端を含む平面から、上記基板の上記活性層側の端を含む平面までの任意の領域に形成された電流ブロック層を含み、上記第２導電型クラッド層の上記活性層側の端と、上記電流ブロック層の上記活性層側の端との間は、層厚方向に平行な距離が１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内になるようにする。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記第２導電型クラッド層の上記活性層側の端と、上記電流ブロック層の上記活性層側の端との間において、層厚方向に平行な距離を１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内にすることにより、例えば電流狭窄路の電流が活性層に注入されるまでに適度な広がりを持つので、自励発振を生ぜしめるのに必要な可飽和吸収領域を確実に形成することが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子において、上記第２導電型クラッド層の一部には電流狭窄路となるリッジストライプが形成され、上記リッジストライプが形成されていない上記第２導電型クラッド層の他の部分の層厚は１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内である。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記リッジストライプが形成されていない第２導電型クラッド層の他の部分の層厚を１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内にすることにより、例えば電流狭窄路の電流が活性層に注入されるまでに適度な広がりを持つので、自励発振を生ぜしめるのに必要な可飽和吸収領域を確実に形成することが出来る。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記第２導電型コンタクト層または上記電極の上記活性層側の表面積は、上記活性層の上記電極側の表面積よりも小さい。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記第２導電型コンタクト層または電極の活性層側の表面積を、活性層の電極側の表面積よりも小さくすることにより、例えば電流ブロック層を形成せずとも電流狭窄を行うことが可能となり、簡便な構造で発振閾値電流の低減と自励発振を実現することが出来る。

また、上記第２導電型コンタクト層は例えばリッジストライプ形状にメサエッチングしてもよい。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記活性層からのレーザ光を出射するレーザ光出射端面の光反射率は１０〜３０％の範囲内である。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記活性層へ過度の戻り光が入射した場合、光吸収による急激なキャリア対の生成が生じて自励発振が停止することがあるが、レーザ光出射端面の光反射率を１０〜３０％の範囲内であると、高出力まで戻り光に擾乱されず、自励発振を維持することが出来る。

また、自励発振を効率良く生ぜしめるには、活性層の利得領域外の可飽和吸収領域に導波光の裾が適度に重なって光吸収を生じる必要があり、水平方向（層厚方向に垂直な方向）の等価屈折率差による光閉じ込めを制御する必要がある。

一実施形態の酸化物半導体レーザ素子は、上記第１導電型クラッド層および上記第２導電型クラッド層の少なくとも一方は屈折率の異なる２層以上の層から成り、上記活性層を中心とした層厚方向の光強度分布は非対称性を有する。

上記実施形態の酸化物半導体レーザ素子によれば、上記第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層の少なくとも一方を屈折率の異なる２層以上の層で構成することによって、層厚方向（積層方向）の光強度分布を意図的に非対称に出来る。その結果、水平方向の等価屈折率差を適度に制御することが出来て、自励発振を効率よく起こすことが出来る。

本発明の酸化物半導体レーザ素子は、酸化物半導体を含んで構成された自励発振型の酸化物半導体レーザ素子であるので、低雑音で低消費電力な半導体レーザ素子を実現出来る。

以下、本発明の酸化物半導体レーザ素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（実施形態１）
本実施形態１では、リッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。

図１に、本発明の実施形態１のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図を示す。

上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、亜鉛面（０００１）を成長主面とするｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａ（ガリウム）ドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．５μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-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５×１０¹⁷ｃｍ^-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（窒素）ドーピング濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-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１×１０²⁰ｃｍ^-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。上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の量子井戸活性層１０５側の表面積は、量子井戸活性層１０５のｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８側の表面積よりも小さくなっている。

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成っている。つまり、上記量子井戸活性層１０５は量子井戸構造を有している。また、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。また、上記量子井戸活性層１０５は、リッジストライプ１１２直下に位置する利得領域と、この利得領域の両側に位置する可飽和吸収領域とを有している。

上記リッジストライプ１１２は、ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を形成するための層をリッジストライプ状にエッチング加工して形成する。これにより、上記リッジストライプ１１２は、ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７の上部と、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８とから成っている。また、上記リッジストライプ１１２の幅Ｗ１は２μｍとしている。

上記リッジストライプ１１２の側面は、Ｇａが３×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドーピングされたｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９によって埋め込まれている。つまり、上記ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９は、リッジストライプ１１２の両側に形成されている。

また、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７は上端から１．６μｍの深さまでエッチング加工され、平坦部の残し厚Ｄ１は０．１μｍとなっている。より詳しく説明すると、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７の上部、つまりｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７においてリッジストライプ１１２の一部と成る部分の高さは１．１μｍとなっている。そして、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７においてその部分以外の部分が有する層厚（以下、「平坦部残し厚Ｄ１」と言う。）は０．１μｍとなっている。

また、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１下には、Ｔｉから成るｎ型オーミック電極１１０を形成している一方、ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８上には、Ｎｉから成るｐ型オーミック電極１１１を形成している。

本発明の酸化物半導体レーザ素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子はレーザＭＢＥ法によって作製した。

本実施形態１の構造を作製後、リッジストライプ１１２に垂直なミラー端面に保護膜を真空蒸着した後、素子を共振器長３００μｍに分離した。

上記保護膜は、厚さ７０ｎｍのＳｉＯ₂と厚さ６０ｎｍのＴｉＯ₂とを交互に積層した多層反射膜である。この多層反射膜の総厚は、レーザ光出射端面の光反射率が１５％、光反射端面の光反射率が９０％となるように調整した。このようなレーザ光出射端面と光反射端面とによって、量子井戸活性層１０５からの光が共振増幅される。

本実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流が３５ｍＡ、光出力５ｍＷでの動作電圧が４Vであった。

また、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の出力波形を観察したところ、直流電圧を印加しているにもかかわらず図２のようなパルス状の自励発振出力が得られ、スペクトルは多モード発振であった。この多モード自励発振は、出力７ｍＷまで安定に得られた。

次に、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の雑音特性を調べるため、ＺｎＯ系半導体レーザ素子の放射光を光ディスクで反射させ、反射光をＺｎＯ系半導体レーザ素子に戻してＲＩＮ（相対雑音強度）を測定した。その結果、光出力が１〜５ｍＷ、戻り光量が０．１〜１０％の範囲で、ＲＩＮは−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。したがって、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子が光ディスク記録再生システム用光源として適した低雑音特性を有することがわかった。

図３に、上記リッジストライプ１１２の幅Ｗ１（以下、「リッジストライプ幅Ｗ１」と言う。）およびｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７の平坦部残し厚Ｄ１（図３では単に「平坦部残し厚」と記載）と、ＲＩＮとの関係を示す。

光ディスク記録再生システム用光源として好適なＲＩＮは−１２５ｄＢ／Ｈｚ以下である。例えば、本実施形態１のｐ型クラッド層の平坦部残し厚Ｄ１（=０．１μｍ）では、リッジストライプ幅Ｗ１が０．３〜３．２μｍの範囲でこれを満たしている。

しかし、上記平坦部残し厚Ｄ１が薄いと十分な電流広がりが得られず、また、平坦部残し厚Ｄ１が厚すぎても、量子井戸活性層１０５のリッジストライプ１１２直下以外の領域が適度な可飽和吸収体とならずに、十分な自励発振特性が得られない。また、上記リッジストライプ幅Ｗ１は狭すぎると動作電圧が増大し、広すぎるとキンクレベルが低下する。

以上のことを考慮して更に詳細な検討をした結果、良好な自励発振特性を得て戻り光雑音を回避するには、リッジストライプ幅Ｗ１を０．５〜３．０μｍの範囲内で調整し、且つ、ｐ型クラッド層の平坦部残し厚Ｄ１を１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内で調整すればよいことがわかった。

上記実施形態１では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層１０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が第２導電型コンタクト層の一例に、ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９が電流ブロック層の一例に、ｐ型オーミック電極１１１が電極の一例にそれぞれ相当している。

また、上記ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９が電流狭窄機構の一例を形成している。そして、上記リッジストライプ１１２の幅Ｗ１が、電流狭窄機構で狭窄された電流路の幅の一例となっている。

上記実施形態１では、リッジストライプ幅Ｗ１は、層厚方向において一定であったが、層厚方向に異なっていてもよい。この場合、リッジストライプにおいて最も活性層に近い部分の幅を０．５〜３μｍの範囲内に設定する。

上記実施形態１では、断面逆Ｔ字形状のｐ型クラッド層を用いていたが、断面逆Ｔ字形状以外の形状のｐ型クラッド層を用いてもよい。

また、上記ｐ型コンタクト層１０８は、ｎ型電流ブロック層１０９上面にかかるように形成してもよい。

上記実施形態１では、ｐ型オーミック電極の活性層側の表面積は、活性層のｐ型オーミック電極側の表面積と同じにしていたが、活性層のｐ型オーミック電極側の表面積よりも小さくしてもよい。

また、井戸層の利得飽和を抑止し、且つ、井戸層内にキャリアを均一に分布させる観点上、井戸層の層厚は１〜８ｎｍの範囲内にするのが好ましい。

また、井戸層へキャリアを効率よく閉じ込める観点上、障壁層の層厚は１〜８ｎｍの範囲内にするの好ましい。

また、活性層内にキャリアを均一に分布させると共に、発振閾値電流の増大を防ぐ観点上、井戸層の数は１〜５の範囲内にするのが好ましい。

また、上記実施形態１では、保護膜である多層反射膜は、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とで構成したが、異なる任意の金属酸化物を交互に積層して構成してもよいし、または、異なる任意の金属窒化物を交互に積層して構成してもよい。例えば、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₃Ｏ₃およびＧａ₃Ｏ₃などを多層反射膜の材料として用いることが出来る。

また、上記レーザ光出射端面の光反射率が高いと十分な光出力が得られず、逆に、レーザ光出射端面の光反射率が低いと、光ディスクなどで反射したレーザ光がＺｎＯ系半導体レーザ素子に大量に戻り、急激なキャリア対の生成が生じて自励発振を阻害してしまう。このため、上記レーザ光出射端面の光反射率は１０〜３０％の範囲内とすることが好ましい。

（実施形態２）
本実施形態２では、ｎ型クラッド層１０３を２層構造とした他は、実施形態１と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。

図４に、本実施形態２のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の層厚方向における屈折率分布を示す。

上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子はｎ型クラッド層２０３を備えている。このｎ型クラッド層２０３は、厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ_0.08Ｚｎ_0.92Ｏ第１クラッド層２０３ａと、厚さ０．１μｍのｎ型Ｍｇ_0.12Ｚｎ_0.88Ｏ第２クラッド層２０３ｂで構成している。そして、上記ｎ型Ｍｇ_0.08Ｚｎ_0.92Ｏ第１クラッド層２０３ａの屈折率は、ｎ型Ｍｇ_0.12Ｚｎ_0.88Ｏ第２クラッド層２０３ｂの屈折率よりも大きくなっている。これにより、上記量子井戸活性層１０５を中心とした層厚方向の光強度分布は非対称になる。

上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、多モード自励発振が出力１５ｍＷまで安定に得られ、光出力が１ｍＷ〜１０ｍＷ、戻り光量が０．１〜１０％の範囲で、ＲＩＮは−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。

自励発振を効率良く生ぜしめるには、活性層の利得領域外の可飽和吸収領域に導波光の裾が適度に重なって光吸収を生じる必要があり、水平方向の等価屈折率差による光閉じ込めを制御する必要がある。本実施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層を異なる屈折率の２つの層で構成することによって、層厚方向の光強度分布を意図的に非対称性にしている。これによって、水平方向等価屈折率差が自励発振を効率よく生ぜしめることが出来るように調整されたと考えられる。

上記実施形態２では、ｎ型クラッド層を異なる屈折率の２つの層で構成していたが、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の少なくとも一方を屈折率の異なる２層以上の層で構成してもよい。

（実施形態３）
本実施形態３では、ＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。

図５に、本実施形態３のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造断面図を示す。

本実施形態の半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層３０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層３０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層３０４、ノンドープ量子井戸活性層３０５、Ｎドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層３０６、Ｎドーピング濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第１クラッド層３０７、Ｍｇドーピング濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3で厚さ１０ｎｍのＧａＮエッチングストップ層３０８、Ｇａドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層３０９が積層されている。

上記ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層３０９には、エッチングによってストライプ形状の溝３１４が形成されている。この溝３１４は、ＧａＮエッチングストップ層３０８の表面まで達している。つまり、上記溝３１４の底面は、ＧａＮエッチングストップ層３０８の表面の一部となっている。また、上記溝３１４において基板表面に平行な方向（図５の左右方向）の幅は、量子井戸活性層３０５に向って徐々に狭くなり、量子井戸活性層３０５に最も近い部分で１．８μｍとなっている。

また、上記ＧａＮエッチングストップ層３０８の表面の一部上、および、ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層３０９上には、Ｎドーピング濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第２クラッド層３１０を積層している。これにより、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第２クラッド層３１０の一部が溝３１４を埋めて、溝３１４内にチャネルストライプが形成される。

また、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第２クラッド層３１０上には、Ｎドーピング濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層３１１が形成されている。

また、上記ｎ型ＺｎＯ基板３０１の下には、Ａｌから成るｎ型オーミック電極３１２が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３１１上にはＰｄから成るｐ型オーミック電極３１３が形成されている。

図６に、上記量子井戸活性層３０５の伝導帯バンドダイヤグラムを示す。

上記量子井戸活性層３０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄと、厚さ６ｎｍのＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｆ，…，３０５ｉとが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄは４層ある一方、ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｆ，…，３０５ｉは５層ある。上記ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｆ，…，３０５ｉのうち、層厚方向の両端に位置するＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｉは、ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｆ，３０５ｇ，３０５ｈに比べて組成が異なっている。これにより、上記ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｉのバンドギャップエネルギは、ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｆ，３０５ｇ，３０５ｈのバンドギャップエネルギよりも小さくなっている。

本実施形態３の構造を作製後、チャネルストライプに垂直なミラー端面に保護膜を真空蒸着した後、素子を共振器長３００μｍに分離した。

本実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４０５ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流が３５ｍＡ、光出力５ｍＷでの動作電圧が４Vであった。

また、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の多モード自励発振は、出力１０ｍＷまで安定に得られた。

上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子のＲＩＮを上記実施形態１と同様に測定したところ、光出力が１ｍＷ〜７ｍＷ、戻り光量が０．１〜１０％の範囲内で、ＲＩＮは−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。したがって、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、良好な低雑音特性を有することがわかった。

本実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、両端の井戸層の組成が他の井戸層と異なり、他の井戸層と量子準位が揃いやすい構造になっている。このため、上記実施形態１に比べて自励発振特性が向上したものと考えられる。

上記実施形態３では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板３０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層３０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層３０５が活性層の一例に、ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層３０９が電流ブロック層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層３１１が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当している。そして、上記ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第１クラッド層３０７とｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏ第２クラッド層３１０とが、第２導電型クラッド層の一例を構成している。

また、上記ｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層３０９が電流狭窄機構の一例を形成している。そして、上記溝３１４の量子井戸活性層３０５に最も近い部分の幅が、電流狭窄機構で狭窄された電流路の幅の一例となっている。
結婚 上記実施形態３では、ＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｅ，３０５ｉは、他のＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｆ，３０５ｇ，３０５ｈに比べて組成が異なるようにしていたが、他のＣｄＺｎＯ井戸層３０５ｆ，３０５ｇ，３０５ｈに比べて層厚が異なるようにしてもよい。

すなわち、井戸層の数を３以上にして、複数の井戸層のうち層厚方向の両端に位置する井戸層と、その両端以外に位置する井戸層とは、組成比および層厚の少なくとも一方が異なるようにして、複数の井戸層の量子準位をほぼ同じにしてもよい。

上記実施形態１〜３の構成を適宜組み合せて、ＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製してもよい。

上記実施形態１〜３において、電流ブロック層は、活性層のｐ型オーミック電極側の端を含む平面から、ｐ型コンタクト層のｐ型オーミック電極側の端を含む平面までの任意の領域、または、活性層の基板側の端を含む平面から、基板の活性層側の端を含む平面までの任意の領域に形成してもよい。

（実施形態４）
図７に、本発明の実施形態４のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図を示す。

上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１、ｎ型ＺｎＯバッファ層１０２およびｎ型オーミック電極の代わりに、サファイア基板４０１、ｎ型ＺｎＯバッファ層４０２およびｎ型オーミック電極４１０を用いた他は、上記実施形態１と同様に作製した。

上記サファイ基板４０１は、サファイア（０００１）面を主面としている。また、上記サファイア基板４０１は絶縁体であるため、サファイア基板４０１にオーミック電極を直接形成することが出来ない。したがって、成長層の一部をエッチングしてｎ型ＺｎＯバッファ層４０２の一部を露出させ、その一部上にｎ型オーミック電極４１０を形成している。

本実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子においても、上記実施形態１と同様にパルス状の自励発振出力が得られ、自励発振最大出力は１０ｍＷまで向上できた。

本実施形態４で用いたサファイア基板４０１はＺｎＯに対して面内格子定数が１８％大きいので、サファイア基板４０１上に成長したＺｎＯ系半導体層は面内で引張応力を受ける。このため、量子井戸活性層１０５は歪みを内在し、バンド構造が変化して正孔の有効質量が軽減する。このことにより、自励発振周波数の増大する高出力においてもキャリアが追随し、自励発振を維持することが出来たものと考えられる。

活性層表面に引張応力を与えるには、ＺｎＯ系半導体をエピタキシャル成長出来、かつ、面内格子定数がＺｎＯ系半導体より大きな基板を用いればよい。このような基板には、サファイア（０００１）面を主面とする基板の他に、ＮａＡｌＯ₂またはＮａＧａＯ₂から成る基板や、Ｓｉ（１１１）面を主面とする基板を用いることが出来る。また、上記実施形態１と同様にＺｎＯ単結晶基板を用い、ＺｎＯ系半導体と同じ結晶構造でかつ面内格子定数が大きいＩｎＧａＮでバッファ層を形成し、このバッファ層上にＺｎＯ系半導体をエピタキシャル成長してもよい。また、上記量子井戸活性層１０５を構成する障壁層にＺｎＯ系半導体と同じ結晶構造でかつ面内格子定数が大きい材料を用いても、井戸層に引張応力を与えることが出来る。

（実施形態５）
本実施形態５では、量子井戸活性層１０５を、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＺｎ_0.9Ｓｅ_0.1Ｏ井戸層とを交互に積層させて構成した他は、上記実施形態１と同様にしてＺｎＯ系半導体レーザ素子を作製した。なお、上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｚｎ_0.9Ｓｅ_0.1Ｏ井戸層は３層ある。

本実施形態５のＺｎＯ系半導体レーザ素子においても、上記実施形態１と同様にパルス状の自励発振出力が得られ、自励発振最大出力は１０ｍＷまで向上できた。

本実施形態５において用いたＺｎＳｅＯ井戸層は、価電子帯の状態密度が小さく、ＺｎＯやＣｄＺｎＯに比べキャリアの有効質量が小さい。したがって、高速変調下においてもキャリアが追随しやすくなって、高出力まで自励発振を維持出来たものと考えられる。

高出力まで自励発振を維持出来きる活性層の材料には、ＺｎＳｅＯの他、ＺｎＳＯおよびＺｎＴｅＯの３元II−VI族混晶半導体を用いることが出来る。但し、これら３元II−VI族混晶半導体は、Ｓｅ、ＳおよびＴｅの組成比が大きくなると、長波長化と結晶性劣化が顕著となるため、ＺｎＳｅＯにおいてはＳｅ組成比は１３％以下、ＺｎＳＯにおいてはＳ組成比が１３％以下、ＺｎＴｅＯにおいてはＴｅ組成比が３％以下であることが好ましい。

上記実施形態１〜５において、ＺｎＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＴｅＯのうちの少なくとも１つの３元ＺｎＯ系混晶半導体を含む活性層を用いてもよい。

また、上記実施形態１〜５において、ｐ型コンタクト層またはｐ型電極の活性層側の表面積を、活性層のｐ型電極側の表面積よりも小さくしてもよい。

例えば、上記実施形態１において、ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７，ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の代わりに、図８に示すように、リッジストライプ形状を有さない平板形状のｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０７，ｐ型ＺｎＯコンタクト層５０８を用いていもよい。この場合、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５０８上に、ストライプ形状の溝を有するＳｉＯ₂絶縁体膜５１２を形成した後、その溝を埋めるようにストライプ形状のｐ型オーミック電極５１１を形成する。

または、上記実施形態１において、ｐ型Ｍｇ_0.1Ｚｎ_0.9Ｏクラッド層１０７，ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８の代わりに、図９に示すようなリッジストライプ形状を有するｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層６０７，ｐ型ＺｎＯコンタクト層６０８を用いていもよい。この場合、上記実施形態１で用いたｎ型Ｍｇ_0.2Ｚｎ_0.8Ｏ電流ブロック層１０９は形成しないで、Ｓｉ₂絶縁膜６１２を形成する。このＳｉ₂絶縁膜６１２は、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層６０７の上面と、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層６０７およびｐ型ＺｎＯコンタクト層６０８の側面とを覆っている。また、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層６０８上には、ストライプ形状のｐ型オーミック電極６１１を形成する。

なお、本発明の酸化物半導体レーザ素子が備える層の材料が、上記実施形態１〜５に限定されないのは言うまでもない。

また、本発明の酸化物半導体レーザ素子は低雑音であるから、例えば高密度光記録に好適に用いることができる。

図１は本発明の実施形態１のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。 図２は上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の自励発振出力波形を示す図である。 図３は上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子の雑音特性を示す図である。 図４は本発明の実施形態２のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の層厚方向における屈折率分布を示す図である。 図５は本発明の実施形態３のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。 図６は上記実施形態３のＳＡＳ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子のバンドダイヤグラムを示す図である。 図７は本発明の実施形態４のリッジストライプ型ＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。 図８は電極ストライプ構造を有する本発明の実施の一形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。 図９は電流ブロック層を有しない本発明の実施の一形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。

符号の説明

１０５，３０５ 量子井戸活性層

Claims (14)

1. 酸化物半導体を含む活性層を備え、自励発振することを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
2. 請求項１に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、上記活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電極が順次積層され、
   上記活性層に供給する電流を狭窄する電流狭窄機構を備え、
   上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄機構はＺｎＯ系半導体を含み、
   上記活性層は、利得領域と、この利得領域の両側に位置する可飽和吸収領域とを有することを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
3. 請求項２に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記電流狭窄機構で狭窄された電流路の幅は０．５〜３．０μｍの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
4. 請求項１に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記活性層は、井戸層と障壁層との交互積層によって構成された量子井戸構造を含むことを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
5. 請求項４に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記井戸層の層厚は１〜８ｎｍの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
6. 請求項４に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記障壁層の層厚は１〜８ｎｍの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
7. 請求項４に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記井戸層の数は１〜５の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
8. 請求項７に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記井戸層の数は３以上であり、
   上記複数の井戸層のうち層厚方向の両端に位置する上記井戸層は、上記両端以外に位置する上記井戸層と組成比および層厚の少なくとも一方が異なることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
9. 請求項４に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
   上記活性層は、上記井戸層の表面が引張応力を受けている歪量子井戸活性層であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
10. 請求項２に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
    上記活性層は、ＺｎＳｅＯ、ＺｎＳＯおよびＺｎＴｅＯのうちの少なくとも１つの３元ＺｎＯ系混晶半導体を含むことを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
11. 請求項２に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
    上記電流狭窄機構は、上記活性層の上記電極側の端を含む平面から、上記第２導電型コンタクト層の上記電極側の端を含む平面までの任意の領域、または、上記活性層の上記基板側の端を含む平面から、上記基板の上記活性層側の端を含む平面までの任意の領域に形成された電流ブロック層を含み、
    上記第２導電型クラッド層の上記活性層側の端と、上記電流ブロック層の上記活性層側の端との間は、層厚方向に平行な距離が１０ｎｍ〜０．３μｍの範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
12. 請求項２に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
    上記第２導電型コンタクト層または上記電極の上記活性層側の表面積は、上記活性層の上記電極側の表面積よりも小さいことを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
13. 請求項１に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
    上記活性層からのレーザ光を出射するレーザ光出射端面の光反射率は１０〜３０％の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。
14. 請求項１に記載の酸化物半導体レーザ素子において、
    上記第１導電型クラッド層および上記第２導電型クラッド層の少なくとも一方は屈折率の異なる２層以上の層から成り、
    上記活性層を中心とした層厚方向の光強度分布は非対称性を有することを特徴とする酸化物半導体レーザ素子。

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