JP2006287137A - 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化物半導体レーザ素子において、リッジストライプからの漏れ光の多重反射による電流−光出力特性の雑音を防ぐ。
【解決手段】 窒化物半導体レーザ素子１０の出射端面１６近傍のリッジストライプ１３が設けられていない部分に、出射端面１６と接するように凹部１８を設ける。凹部１８の側面は、窒化物半導体層１２の上面と比べて粗い面である。リッジストライプ１３からの漏れ光は凹部１８の側面では反射しないため高反射面１７との間で多重反射せず、電流−光出力特性の雑音を防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。

光学式情報記録装置等においては、情報記録速度の高速化の要請に伴い、高出力かつ安定したレーザ光を発生させる半導体レーザが熱望されており、さらに、記録媒体における情報記録密度の高密度化の要請に伴い、レーザ波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子が熱望されている。

波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子としては、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料を活性層に用いて青色領域から紫外領域のレーザ光を射出する窒化物系半導体レーザ素子が挙げられ、近年、その試作も行われるようになってきた。波長の短いレーザ光は、波長の長いレーザ光より小さく絞ること（スポット径を小さくすること）ができるため、窒化物系半導体レーザ素子を光源として用いた光学式情報記録装置は、記録媒体への記録密度を従来に比べて高密度化できる次世代高密度情報記録装置として注目されている。

図１３は、従来型の典型的な窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。窒化物半導体レーザ素子１１０はｎ型ＧａＮから成る基板１１１に窒化物半導体層１１２が形成されている。

窒化物半導体層１１２は、基板１１１側から順に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮからなる井戸層と障壁層の交互繰り返し構造による量子井戸構造を有する活性層、ｐ型ＡｌＧａＮからなるキャリアストップ層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層で構成されている。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、ｎ型光ガイド層からｐ型光ガイド層までの連続した層内の垂直方向に光を閉じ込める役割を有している。窒化物半導体層１１２表面には、ストライプ状の突出部であるリッジストライプ１１３を有し、その断面形状は凸形の台形状である。このリッジストライプ１１３は、窒化物半導体層１１２を成長させた後に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて形成される。リッジストライプ１１３の形成後に電極１１４が窒化物半導体層１１２の上面の概略全面に形成されている。ここで、リッジストライプ１１３は光をリッジストライプ構造内の水平方向（リッジストライプ１１３に垂直かつ窒化物半導体層１１２の層厚方向に垂直な方向）に光を閉じ込める役割を有している。窒化物半導体レーザ素子１１０では、活性層で発光した光は、このリッジストライプ１１３の構成する導波路領域に閉じ込められて、レーザ発振動作を生ずる。

しかし、上記窒化物半導体レーザ素子の構造においては、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）に凹凸（リップル）が発生し、非ガウシアン分布になってしまうという問題があった。窒化物半導体レーザ素子を光ディスク等への書き込み等を目的とした実用化には非ガウシアン分布となるレーザでは、光ディスクへの書き込み等が不適切なものとなるため、リップルがＦＦＰに乗らないガウス分布となる窒化物半導体レーザ素子が必要である。

このような問題を生じる原因として、発明者らが調査したところ、リッジストライプ１１３の導波路領域から水平方向に漏れた漏れ光に起因していることが判明した。

この漏れ光を防止し、良好なＦＦＰが得られる半導体レーザ素子として、例えば特許文献１で提案されているものが挙げられる。図１４は特許文献１にかかる半導体レーザ素子の斜視図である。半導体レーザ素子２１０には、電極２１４と出射端面２１６との間に凹部２１８が形成されており、これによってリッジストライプ２１３の導波路領域内を導波されるレーザ光はそのまま出射され、漏れ光は凹部２１８における半導体と空気との界面の屈折率差により大半が反射されるため、導波路領域からの漏れ光が導波路領域から出射される主ビームと重なるのを防ぐことができるとされている。
特開２００２−３２４９４７号公報（第５頁、図１）

しかしながら、従来の技術で挙げた特許文献１にかかる窒化物半導体レーザ素子を本発明者らが作製したところ、多くの素子が図１５に示すように、電流−光出力特性（以下、Ｉ−Ｌ特性）に雑音による非線形領域を生じた。本発明者らが調査したところ、リッジストライプ２１３からの漏れ光が凹部２１８で反射して窒化物半導体レーザ素子２１０内で共振し、これが雑音の原因となっていることが判明した。即ち、凹部２１８の側面の内、出射端面２１６に平行な側面と、高反射面２１７の間で漏れ光が多重反射することにより干渉し、これがレーザ発振光に影響してＩ−Ｌ特性に影響を与えたものと考えられる。このようなＩ−Ｌ特性を有する窒化物半導体レーザ素子は、実用上好ましくない。

本発明は、上記問題を解決し、ＦＦＰが良好であり、かつ雑音のないＩ−Ｌ特性を備えた窒化物半導体レーザ素子を提供するものである。

（１）上記目的を達成するために本発明は、基板と、この基板上に形成され、リッジストライプを有する窒化物半導体層と、この窒化物半導体層上に形成された電極と、前記リッジストライプの長手方向に垂直な出射端面とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、少なくとも前記窒化物半導体層の上面における前記出射端面近傍の前記リッジストライプが設けられていない部分に開口部が形成され、前記基板を底面とする凹部を備え、この凹部の前記底面を除く面は前記窒化物半導体層の上面に比べて粗い面であることを特徴とする。

（２）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部の前記底面を除く面が、前記窒化物半導体層の上面と比べて１００Å以上の表面粗さであることを特徴とする。

（３）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部と前記リッジストライプとの間隔を０．５μｍ以上１００μｍ以下とすることを特徴とする。

（４）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記電極が前記出射端面から所定の間隔を開けて設けられていることを特徴とする。

（５）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部と前記電極との間隔を０．１μｍ以上２００μｍ以下とすることを特徴とする。

（６）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部の前記窒化物半導体層上の開口部の前記リッジストライプの長手方向に対して平行な方向の幅が、前記凹部の前記リッジストライプ側の縁から５μｍ以内の範囲で２μｍ以上であることを特徴とする。

（７）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部が前記出射端面に接して設けられていることを特徴とする。

（８）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部が前記出射端面と前記電極との間にあることを特徴とする。

（９）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記基板および／または前記窒化物半導体層が欠陥集中領域を有し、この欠陥集中領域と前記リッジストライプとの間に、前記基板まで達した、前記リッジストライプの長手方向と平行な溝を有していることを特徴とする。

（１０）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記基板の結晶主軸が、前記基板表面の法線方向から前記リッジストライプの長手方向に平行な方向に０．０５度以上０．２度以下傾斜していることを特徴とする。

（１１）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部の底面を除く面に、発振光に対して１０００ｃｍ^-1以上の吸収係数を有する吸収物質が形成されていることを特徴とする。

（１２）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記吸収物質が、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｗ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｓｃ，Ｙ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｎのいずれか一種を含むことを特徴とする。

（１３）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記吸収物質が、前記活性層よりバンドギャップの狭い半導体であることを特徴とする。

（１４）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子において、前記吸収物質は、凹部側面における側面の法線方向の層厚が１００Å以上であることを特徴とする。

（１５）また本発明は、上記構成の窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、前記基板上に前記凹部を形成する第１の工程と、前記第１の工程で前記凹部を形成した前記基板上に前記窒化物半導体層を形成する第２の工程と、前記第２の工程で形成した前記窒化物半導体層上に前記電極を形成する工程と備えることを特徴とする。

本発明によると、窒化物半導体レーザ素子においてリッジストライプからの漏れ光が粗い面となっている凹部の側面では反射せず多重反射が生じないため、雑音のないＩ−Ｌ特性を備えた、ＦＦＰが良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法によると、凹部の側面を粗い面に加工する工程を設けなくても凹部の側面を粗い面とすることができるため、容易に雑音のないＩ−Ｌ特性を備えた、ＦＦＰが良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

まず、本明細書における窒化物半導体について説明する。通常、窒化物系半導体とは、Ａｌ_pＩｎ_qＧａ_1-p-qＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｐ＋ｑ≦１）からなる結晶を意味するが、本明細書における窒化物系半導体とは、Ａｌ_pＩｎ_qＧａ_1-p-qＮのみからなる結晶ばかりでなく、ＩＩＩ族原子（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）の一部（２０原子数％以下）を、Ｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａで置換した結晶や、ＶＩ族原子であるＮ原子の一部（２０原子数％以下）を、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂで置換した結晶や、それらの結晶に不純物としてＢ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｈ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、ランタノイド等が添加されていてもよい。また、本明細書において、ｎ型窒化物系半導体およびｐ型窒化物系半導体とは、窒化物系半導体にそれぞれの導電型を規定する不純物を含有していることを意味する。

次に本発明の理解に必要な語句について説明する。本明細書において、リッジストライプ」およびその「幅」とは、リッジストライプの長手方向に対して垂直な断面における概略台形形状において、上辺と下辺の平均値を表す。共振器方向にリッジストライプ形状の幅が変化している場合は、全共振器長に渡る上辺の平均値と、全共振器長に渡る下辺の平均値との平均値を指すものとする。

また、「垂直方向」とは、半導体層の層厚方向を指し、「水平方向」とは、共振器面に平行でかつ、半導体層の層厚方向に対し垂直な方向を指す。「表面粗さ」とは、試料表面を段差計で１００μｍ長に渡って走査し、求まった段差の標準偏差値を表すものとする。「凹部側面」「凹部の側面」とは、凹部の底面を除く側面のことを指すものとする。

＜第１の実施形態＞
続いて本発明の第１の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子について、図１を用いて説明する。図１は、第１の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の一例の斜視図である。図１においては、説明に不要な部分は簡略化のため省略して書いてある。

図１に示す窒化物半導体レーザ素子１０の構成は次の通りである。凹部１８が形成されたｎ型ＧａＮから成る基板１１上に、多層構造から成りリッジストライプ１３が形成された窒化物半導体層１２を備え、窒化物半導体層１２上の一部に正電極１４を備え、リッジストライプ１３に垂直な出射端面１６および高反射面１７が形成されている。リッジストライプ１３は水平方向に光を閉じ込める役割を成しており、導波路領域を構成している。また、正電極１４は高反射面１７から所定の間隔を開けて設けられている。この基板１１は、ｎ型ＧａＮに限らず、その他の半導体から成るものであっても、ガラスから成るものであってもよい。

基板１１に形成された凹部１８は、窒化物半導体層１２を形成した後もその形状を概略継承しているが、凹部１８の側面は、窒化物半導体の堆積物により、窒化物半導体層１２の上面の平坦面よりも粗い面となっており、窒化物半導体層１２上面の凹部１８周囲は、窒化物半導体層１２の上面の平坦面とは同一面内にない粗面領域１９となっている。凹部１８の側面は、窒化物半導体層１２の上面と比べて１００Å以上の表面粗さである。また凹部１８は、出射端面１６に接するように位置している。

窒化物半導体層１２の側面も含めた凹部１８の側面が粗い面であることから、この面では光が反射せず、凹部１８の側面のうち出射端面１６に平行な面と、高反射面１７との間で生じる多重反射を防ぐことができるため、本発明にかかる窒化物半導体レーザ素子１０ではＩ−Ｌ特性における雑音を除去することが可能となっている。また、窒化物半導体層１２を形成する前に凹部１８を基板１１上に設けておくことにより、凹部１８側面の粗い面を形成する工程を必要とせずに凹部１８側面の粗い面を容易に形成することが可能となる。

次に、第１の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の製造方法を、図２〜図５を用いて説明する。図２は凹部を設けた基板の斜視図、図３は表面に窒化物半導体層を成長させた基板の斜視図、図４は窒化物半導体層にリッジストライプを設けた基板の斜視図、図５はウェハーの斜視図である。

まず図２に示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板１１の表面に、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて凹部１８を形成する。凹部１８の形状は、基板１１の劈開面に平行方向に細長い略直方体形状となっている。これは、図１に示す窒化物半導体レーザ素子１０において、リッジストライプ１３からの水平方向の漏れ光が出射端面１６から出射されないように、凹部１８で漏れ光をカットするためである。但し凹部１８は窒化物半導体層１２を成長させた後、リッジストライプ１３との間隔（図１に示すａ）が０．５μｍ以上１００μｍ以下となるように設計される。これは、リッジストライプ１３の構成する導波路領域からの光を出射端面１６から損失無く取り出すためであり、間隔ａは２μｍ以上２０μｍ以下が特に望ましい。

凹部１８のリッジストライプ１３の長手方向に平行な方向の幅（図１および図２に示すｂ）は、窒化物半導体層１２を成長させた後、２μｍ以上となるように設計される。２μｍ以上とする理由は、基板１１上に窒化物半導体層１２を成長したとき、凹部１８が窒化物半導体材料の堆積物で埋まり切ってしまうのを防ぐためである。なお、幅ｂは、凹部１８のリッジストライプ１３に近い側から５μｍ以内の領域に渡って、２μｍ以上に維持されていればよく、凹部１８のそれ以外の領域において２μｍ未満になっていても本発明の効果は維持される。幅ｂは、３μｍ以上５０μｍ以下が望ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下がさらに望ましい。

また凹部１８の深さ（図２に示すｃ）は、０．５μｍ以上５０μｍ以下とすることが望ましい。これは、深さｃが０．５μｍ未満であると、窒化物半導体層１２が成長した際に凹部１８がすぐに埋まってしまうため、凹部１８の表面平坦性の悪さが伝播してしまい、窒化物半導体層１２の表面平坦性を悪化させるためである。また、深さｃが５０μｍより深い場合は、通常素子分割のために基板１１を研削、研磨するが、この工程の際に割れ等が発生して歩留まりが落ちるためである。さらに、深さｃが２０μｍより深い場合は、窒化物半導体層１２を成長させた後に行うフォトリソグラフィー工程において、レジストをスピンコートによりコーティングする際、レジスト膜が均一に形成できないという問題を生じるため、深さｃは１μｍ以上１０μｍ以下がより望ましい。

次に、基板１１を定法により化学的表面処理を実施した後、図３に示すように窒化物半導体層１２を成長させる。このとき、成長条件を適正化することにより、基板１１に形成した凹部１８の形状を概ね踏襲しつつ窒化物半導体層１２を成長させることができる。窒化物半導体層１２を成長させた後、窒化物半導体層１２の上面の凹部１８の周囲には、窒化物半導体層１２の上面の平坦面とは同一面内にない粗面領域１９が形成されており、また凹部１８の側面は、窒化物半導体層を構成する材料の堆積により窒化物半導体層１２の上面の平坦面よりも粗い面が形成されている。この凹部１８の側面に形成された粗面が、本発明の効果を奏している。

次に、図４に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、窒化物半導体層１２上の然るべき位置にリッジストライプ１３を作製し、続いて図５に示すように、窒化物半導体層１２上に、フォトリソグラフィーおよび蒸着技術を用いて正電極１４をパターニングし、また、基板１１の窒化物半導体層１２を設けた側と反対側の面に負電極１５を形成してウェハー２０が完成する。このとき、正電極１４は凹部１８との間隔（図１および図５に示すｆ）が０．１μｍ以上２００μｍ以下となるように形成されることが望ましい。この下限値０．１μｍは、凹部１８に正電極１４がかかってしまうことにより、窒化物半導体レーザ素子１０に印加された電流が、窒化物半導体層１２を通らずに正電極１４を通してリークしてしまうことを避けるためであり、フォトリソグラフィー技術でアイソレート可能な値の最低値を示している。また、上限値２００μｍは、間隔ｆが大きくなると、リッジストライプ１３の構成する導波路領域において、窒化物半導体レーザ素子１０に印加される電流が注入されない領域が増加し、その結果必要な駆動電流が増加しすぎることを避けるためである。なお、間隔ｆは、生産上の観点から、１μｍ以上５０μｍ以下がより望ましい。

この後、劈開法またはエッチングによる方法によって、図５に示すウェハー２０を図１に示す個々の窒化物半導体レーザ素子１０に分割し、出射端面１６および高反射面１７を作製する。このとき、出射端面１６と接して凹部１８が配置されるように、出射端面１６の位置を決定する。

以上の工程を経て、図１に示す窒化物半導体レーザ素子１０が作製できる。第１の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子は、後述する実施例１で図１２に示すように雑音のない線形のＩ−Ｌ特性を示した。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について図６を用いて説明する。図６は、第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。第２の実施形態は、凹部の位置が異なる以外は第１の実施形態と共通であり、実質上同一の部分には同一の符号を付してある。

第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子１０は、凹部１８が出射端面１６とで正電極１４との間に、出射端面１６と一定距離ｇを隔てて形成されている。距離ｇは、０．１μｍ以上２００μｍ以下が望ましい。この下限値０．１μｍは、凹部１８と出射端面１６が重なると、凹部１８の底面が粗面であることにより劈開ラインが曲がってしまい、窒化物半導体レーザ素子の特性がばらついてしまうが、これを避けるために設定する。また、上限値２００μｍは、距離ｇが大きくなると、窒化物半導体レーザ素子の導波路領域において、窒化物半導体レーザ素子に印加される電流が注入されない領域が増加し、その結果必要な駆動電流が増加しすぎるが、これを避けるために設定する。なお、距離ｇは、生産上の観点から、１μｍ以上１００μｍ以下がより望ましい。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について図７を用いて説明する。図７は、第３の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図である。第３の実施形態は、基板に欠陥集中領域および低欠陥領域が存在している以外は第１の実施形態と共通であり、実質上同一の部分には同一の符号を付してある。

第３の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子１０においては、ＧａＮからなる基板１１に、欠陥集中領域４１が存在し、欠陥集中領域４１以外の部分は低欠陥領域４２となっている。

本明細書において、欠陥集中領域とは、基板および／または基板上に作製された窒化物半導体層を硫酸、燐酸の混合酸を２５０℃に加熱した液に浸してエッチングを行った結果、多数のエッチピットが現れ、欠陥（あるいは転位等）が極めて集中している領域を指す。欠陥集中領域は、１０μｍ程度オーダーの幅で分布する。一方、低欠陥領域とは、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０⁴〜１０⁵／ｃｍ²台の領域を指し、欠陥集中領域のＥＰＤは、これよりも２桁以上大きい。なお、ＥＰＤを測定する方法としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の気相エッチングを用いても良いし、ＭＯＣＶＤ炉中で成長を止めて、高温（１０００℃程度）に晒すことによっても測定できる。測定手段としては、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＣＬ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、顕微ＰＬ（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）等を用いることができる。

第３の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子１０においては、リッジストライプ１３と欠陥集中領域４１の間に位置するように、凹部１８とは異なる溝４３が形成されている。溝４３は、欠陥集中領域４１から例えば３０μｍの距離ｈを隔てて形成する。この溝４３も、第１の実施形態および第２の実施形態で示した凹部１８と同様、窒化物半導体層１２を成長させる前に基板１１に形成しておく。このように、リッジストライプ１３と欠陥集中領域４１の間に溝４３を設けることにより、窒化物半導体層１２の成長方向が均一になり表面平坦性が向上し、ウェハー面内の特性の均一化が図られて歩留まりを向上させることができるという効果を奏する。

なお、図７においては、溝４３は欠陥集中領域４１と隔てて形成されているが、溝４３は欠陥集中領域４１と重なるように形成されていてもよく、リッジストライプ１３と欠陥集中領域４１との間に存在するように形成されていればよい。また、この溝４３の幅および深さは、第１の実施形態で述べた凹部１８の幅および深さの望ましい範囲内に含まれるように作製されることが望ましい。

また、第３の実施形態において、図８に示すように出射端面１６と正電極１４とが凹部１８を挟むように形成されていてもよい。

また、第３の実施形態において、基板１１の結晶主軸が、基板１１表面の法線方向からリッジストライプ１３の長手方向に平行な方向に０．０５度以上０．２度以下傾斜しているものとしてもよい。このように構成することにより、凹部１８近傍の粗面領域１９からマイグレーションにより窒化物半導体層１２の原料となる原子・分子が凹部１８に拡散・移動して凹部１８が埋まってしまうことを抑制することができるため、表面平坦性が良好な窒化物半導体層１２を形成でき、諸特性の良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子は、第１〜第３の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子において、凹部１８の側面の全面に吸収物質が形成されている。これにより、リッジストライプ１３から染み出した漏れ光が凹部１８の側面をわずかに透過してきた光さえも吸収するため、さらに優れたＦＦＰを得ることができるものである。吸収物質は、発振光に対して１０００ｃｍ^-1以上の吸収係数を有していれば、上記効果を得ることができる。吸収物質の材料としては、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｗ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｓｃ，Ｙ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｎなどの金属物質のほか、活性層よりもバンドギャップの狭い半導体や、ＳｉＯやＴｉＯ₂などの一部吸収性を有する絶縁体も候補として挙げられ、例えばＳｉ、Ｍｏなどが考えられる。吸収物質は、凹部１８の側面における側面の法線方向の層厚が１００Å以上あれば上記効果を得ることができる。

以下、本発明の実施例について言及するが、本発明の請求範囲はこれに限定されるものではない。

図１および図９〜図１１を用いて実施例１について説明する。実施例１にかかる窒化物半導体レーザ素子の外観は、図１と同様である。

図９は、図１のＡ−Ａ断面の部分拡大図である。ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０〜３００μｍ）、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層３１（膜厚０．４〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層３２（膜厚０〜０．１５μｍ）、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（ｗ≦０．２）井戸層とｎ型Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層の交互積層構造による多重量子井戸構造からなる活性層３３（発振波長３７０〜４３０ｎｍ、総膜厚５〜６０ｎｍ）、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＮからなるｐ型キャリアブロック層３４（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層３５（膜厚０．０５〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＜０．２）からなるｐ型クラッド層３６（膜厚０．０２〜１０μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３７（膜厚０．０１〜１０μｍ）が形成されており、多層構造の窒化物半導体層１２はこれらの窒化物半導体層から成っている。

窒化物半導体層１２のｐ側から、ｐ型クラッド層３６、ｐ側光導波層３５またはｐ型キャリアブロック層３４に達するまでエッチングを施すことにより、幅１〜２μｍのリッジストライプ１３が形成されており、窒化物半導体レーザ素子１０の導波路部分の水平方向光閉じ込めを行っている。図９では、ｐ型クラッド層３６までエッチングした例を示している。さらに、エッチングされた領域のエッチングされた面の上に、ＳｉＯ₂（層厚０．１〜１μｍ）からなる埋め込み層３８が形成されている。埋め込み層３８は、図１において、リッジストライプ１３の上面を除く、正電極１４とほぼ同じ領域に形成されている。コンタクト電極３９および正電極１４は、ｐ型コンタクト層３７の一部露出した面の概略全面を含む、埋め込み層３８膜の概略全面上に形成されている。また、負電極１５が、基板１１の２主面のうち窒化物半導体層１２が形成されている側の面と対向する側の面の概略全面に形成されている。

図１０は、図１のＢ−Ｂ断面の部分拡大図である。リッジストライプ１３上面には、コンタクト電極３９が形成されており、正電極１４が形成されている領域から出射端面１６までの領域においてリッジストライプ１３に電流が注入されるようになっている。また、窒化物半導体層１２の上面には、凹部１８近傍において粗面領域１９が形成されている。また凹部１８の側面および底面には、窒化物半導体層１２の堆積物４５、４６が付着している。図１０において、リッジストライプ１３の底面と、凹部１８と窒化物半導体層１２上面の平坦面との交線との距離ａは、先に述べた理由により、０．５μｍ以上１００μｍ以下となるように形成されている。ここで、図１０のリッジストライプ１３の左右において、距離ａは必ずしも一致する必要はないが、両者共に上記範囲を満たす必要がある。

図１１は、図１のＣ−Ｃ断面の部分拡大図である。図１１においては、リッジストライプ１３形成のためｐ型クラッド層３６までエッチングした例を示しているので、窒化物半導体層１２にはｐ型コンタクト層３７が記載されていない。窒化物半導体層１２の上面には、凹部１８近傍において粗面領域１９が形成されている。また凹部１８の側面および底面には、窒化物半導体層を成長させる際に堆積した堆積物４５、４６が付着している。

窒化物半導体レーザ素子１０を、図９に示す断面が観察できるように分割し、一般的な走査型電子顕微鏡で６万倍で観察し、堆積物４５の部分について堆積物４５の近似面に沿って１０００Åの範囲に渡る領域の表面粗さの標準偏差を求めると、１００Å以上の値になっている。また図１１において凹部１８と正電極１４の間隔ｆは、先に述べた理由により、０．１μｍ以上２００μｍ以下の距離を隔てて形成されている。

次に、本実施例にかかる窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。

初めに、（０００１）Ｃ面を結晶成長用面とするｎ型ＧａＮからなる基板１１（厚さ１００〜５００μｍ）を洗浄する。この基板１１の全面にＳｉＯ₂等を膜厚４００ｎｍでＥＢ蒸着し、その後、一般的なフォトリソグラフィー工程により、レジストで図２に示す凹部１８の開口部に対応するストライプ形状のウィンドウを形成する。その後ＩＣＰ、もしくはＲＩＥにより、ＳｉＯ₂および基板１１をエッチングする。基板１１のエッチング深さは本実施例では４μｍとする。その後、ＨＦなどのエッチャントによりＳｉＯ₂を除去して窒化物半導体層を成長させる前の基板処理を終了する。このようにして得られた基板１１は図２のようになる。本明細書においてエッチング方法は、気相エッチングを用いても良いし、液相のエッチャントを用いて行ってもよい。その後、基板１１を洗浄後、ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行う。

その後、降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）を１０ｌ／ｍｉｎ流しながら、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、６００℃でＮＨ₃とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ、２０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、０〜１０μｍ以下（本実施例では１００ｎｍ）の厚みのｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層を成長させる。ここでは、ｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層の製法について説明したが、ｎ型ＧａＮに限らず、ＳｉＨ₄の導入量を０ｍｏｌ／ｍｉｎとしたＧａＮでもよく、さらにＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮを少なくとも含む膜を用いても何ら問題はない。Ａｌを含むときは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成膜時に適量導入し、Ｉｎを含む時は、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を成膜時に適量導入すれば良い。なお、低温成長バッファ層は必ずしも必要ではないため、図９〜図１１には記載していないが、本実施例では基板１１とｎ型クラッド層３１の間に配置する。

次に、Ｎ₂とＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリアガスをＮ₂からＨ₂に替えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型ＧａＮ層を０．１〜１０μｍ（本実施例では約４μｍ）の厚さに成長させる。なお、ｎ型ＧａＮ層は必ずしも必要ではないため、図９〜図１１には記載していないが、本実施例では基板１１とｎ型クラッド層３１の間に配置する。

次に、ＴＭＧおよびＳｉＨ₄の供給を停止して、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に変えて、約８００℃まで降温後、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ＴＭＩを一定量流しながら、ｎ型ＩｎｒＧａ１−ｒＮ（本実施例ではｒ＝０．０７）からなるｎ型バッファ層を０〜２００ｎｍ成長させる。なお、ｎ型バッファ層は必ずしも必要ではないため、図９〜図１１には記載していないが、本実施例では基板１１とｎ型クラッド層３１の間に配置する。

続いて、ＴＭＩ，ＴＭＧ，およびＳｉＨ₄の供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ₂からＨ₂に替えて、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入して、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流しながら、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（本実施例ではｘ＝０．１）からなるｎ型クラッド層３１を０．４μｍ以上（本実施例では１μｍ）の厚さに成長させる。

ｎ型クラッド層３１の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ側光導波層３２を０〜０．１５μｍ（本実施例では１００ｎｍ）の厚さに成長させる。なお、ｎ側光導波層３２は、ノンドープ光導波層でも良い。

その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に再び替えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を一定量、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（本実施例ではｖ＝０．０２３）よりなる障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給をある一定量にまで増加し、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（本実施例ではｗ＝０．０７０）よりなる井戸層を成長させる。このＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との交互多層構造（障壁層／井戸層／・・・／井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸活性層３３を成長させる。障壁層および井戸層を形成するＩｎＧａＮの混晶比および膜厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲になるように設計し、成長時に導入するＴＭＩの流量は、その設計値に等しいＩｎ組成の膜が得られるように調節する。井戸層の層数は、２〜６が望ましく、特に２〜３が望ましい。なお、井戸層および障壁層は、双方ともがノンドープでもＳｉなどのドーパントを含むｎ型でも良く、井戸層または障壁層のどちらか一方のみがノンドープで他方はドープされていても良い。

活性層３３の成長が終了すると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ₂からＨ₂に替えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを適量、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、０〜２０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（本実施例ではｚ＝０．２）からなるｐ型キャリアブロック層（蒸発防止層）３４を成長させる。なお、ｐ型キャリアブロック層３４は、ノンドープキャリアブロック層でもよい。

ｐ型キャリアブロック層３４の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層３５を０．０５〜０．１５μｍ（本実施例では０．１μｍ）の厚さに成長させる。なお、ｐ側光導波層３５は、ノンドープ光導波層でも良い。

その後、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入し、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（本実施例ではｙ＝０．０７）からなるｐ型クラッド層３６を、０．０２〜１０μｍ（本実施例では０．５μｍ）の厚さに成長させる。

最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．０１〜１０μｍ厚（本実施例では０．１μｍ厚）のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３７を成長させ、発光素子構造すなわち多層構造の窒化物半導体層１２の成長を終了する。窒化物半導体層１２の成長が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ２Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出す。

その後、フォトリソグラフィー技術および反応性イオンエッチング技術を用い、ｐ型コンタクト層３７を断面が台形形状のストライプ状（幅１〜４μｍ、本実施例では２μｍ）に残して、ｐ型クラッド層３６までエッチングを行い、導波路領域を構成するリッジストライプ１３を形成する。この時、エッチングされた領域における、ｐ型クラッド層３６の残し膜厚は、水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖に大きな影響を与え、残し膜厚が大きくなるほど小さくなるので、Θ‖＝７〜１２度の範囲内（本実施例では９．５度）となるように、調節する。その後、フォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型コンタクト層３７の上面のコンタクト電極３９と接触する部分を除いて埋め込み層３８を形成する。

その後、ｐ型コンタクト層３７の上面にコンタクト電極３９を形成し、埋め込み層３８およびコンタクト電極３９上の概略全面に正電極１４を形成すると、ウェハーが完成する。正電極１４の材料としては、例えばＡｕ／Ｎｉ，Ａｕ／Ｐｄ，Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄを用いれば良い。また、基板１１の裏面の概略全面に、負電極１５を形成する。負電極１５の材料としては、例えばＡｌ／ＴｉあるいはＡｕ／Ｗを用いれば良い。

次に、このウェハーを劈開して、共振器ミラーとなる出射端面１６および高反射面１７を作製する。本実施例では、出射端面１６は、凹部１８と重なるように作製する。以上の工程を経て、図１に示す構成の窒化物半導体レーザ素子１０が完成する。

このようにして作成した本実施例にかかる窒化物半導体レーザ素子は、図１２に示すようにレーザ発振を示し、雑音のない直線的なＩ−Ｌ特性を示した。これは本発明の効果に他ならない。

なお、本実施例において、正電極１４は図１に示す位置に形成するが、フォトリソグラフィー技術を用いて、窒化物半導体層１２と接触するコンタクト電極３９（上記の候補においては、Ｎｉ，Ｐｄがそれに相当する）がリッジストライプ１３の概略全面に形成されるように形成し、電極パッドのみは図１の正電極１４の位置に形成するようにしても良い。

本発明は、出射端面と高反射面との共振を利用する窒化物半導体レーザ素子一般に用いることができる。

第１の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図 第１の実施形態にかかる凹部を設けた基板の斜視図 第１の実施形態にかかる表面に窒化物半導体層を成長させた基板の斜視図 第１の実施形態にかかる窒化物半導体層にリッジストライプを設けた基板の斜視図 第１の実施形態にかかるウェハーの斜視図 第２の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図 第３の実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図 第３の実施形態の別の態様にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図 図１のＡ−Ａ断面の部分拡大図 図１のＢ−Ｂ断面の部分拡大図 図１のＣ−Ｃ断面の部分拡大図 第１の実施例にかかる窒化物半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性のグラフ 従来型の典型的な窒化物半導体レーザ素子の斜視図 特許文献１にかかる窒化物半導体レーザ素子の斜視図 特許文献１にかかる窒化物半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性のグラフ

符号の説明

１０ 窒化物半導体レーザ素子
１１ 基板
１２ 窒化物半導体層
１３ リッジストライプ
１４ 正電極
１６ 出射端面
１８ 凹部
４１ 欠陥集中領域
４３ 溝

Claims (15)

1. 基板と、この基板上に形成され、リッジストライプを有する窒化物半導体層と、この窒化物半導体層上に形成された電極と、前記リッジストライプの長手方向に垂直な出射端面とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、
   少なくとも前記窒化物半導体層の上面における前記出射端面近傍の前記リッジストライプが設けられていない部分に開口部が形成され、前記基板を底面とする凹部を備え、この凹部の前記底面を除く面は前記窒化物半導体層の上面に比べて粗い面であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記凹部の前記底面を除く面が、前記窒化物半導体層の上面と比べて１００Å以上の表面粗さであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記凹部と前記リッジストライプとの間隔を０．５μｍ以上１００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記電極が前記出射端面から所定の間隔を開けて設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記凹部と前記電極との間隔を０．１μｍ以上２００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記凹部の前記窒化物半導体層上の開口部の前記リッジストライプの長手方向に対して平行な方向の幅が、前記凹部の前記リッジストライプ側の縁から５μｍ以内の範囲で２μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記凹部が前記出射端面に接して設けられていることを特徴とする請求項１〜６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記凹部が前記出射端面と前記電極との間にあることを特徴とする請求項１〜６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記基板および／または前記窒化物半導体層が欠陥集中領域を有し、この欠陥集中領域と前記リッジストライプとの間に、前記基板まで達した、前記リッジストライプの長手方向と平行な溝を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記基板の結晶主軸が、前記基板表面の法線方向から前記リッジストライプの長手方向に平行な方向に０．０５度以上０．２度以下傾斜していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
11. 前記凹部の底面を除く面に、発振光に対して１０００ｃｍ^-1以上の吸収係数を有する吸収物質が形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
12. 前記吸収物質が、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｗ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｓｃ，Ｙ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｎのいずれか一種を含むことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
13. 前記吸収物質が、前記活性層よりバンドギャップの狭い半導体であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
14. 前記吸収物質は、凹部側面における側面の法線方向の層厚が１００Å以上であることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
15. 請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子を製造するための、窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
    前記基板上に前記凹部を形成する第１の工程と、
    前記第１の工程で前記凹部を形成した前記基板上に前記窒化物半導体層を形成する第２の工程と、
    前記第２の工程で形成した前記窒化物半導体層上に前記電極を形成する工程と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。

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