JP2006332713A - 窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents

窒化物系半導体レーザ素子 Download PDF

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Abstract

【課題】素子の長寿命化を図ることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】この窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層３と、ｎ型クラッド層３上に形成される発光層５と、発光層５上に形成されるｐ型クラッド層７とを備える。また、発光層５は、光を発生するＭＱＷ活性層と、光を閉じ込めるｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６と、活性層とｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６との間に配置され、それぞれｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、活性層およびクラッド層などを順次結晶成長させることによって形成される窒化物系半導体レーザ素子に関する。
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待されており、その開発が盛んに行われている。一般的に半導体レーザの重要な特性として、しきい値電流や動作電流などがある。しきい値電流とは、レーザ発振が開始するときの電流であり、しきい値電流が小さいほど動作電流も小さくなる。このため、しきい値電流は、小さいほど好ましい。
従来、窒化物系半導体レーザ素子においても、しきい値電流の低減が図られている。しきい値電流を低減させることによって、窒化物系半導体レーザ素子を駆動させるために必要な動作電流も低減することができるので、動作電流の増大に起因して素子内部の温度が上昇して素子が劣化するのを抑制することができる。
このため、窒化物系半導体レーザ素子の寿命を向上させるためにも、しきい値電流の低減は重要である。
従来では、しきい値電流を低減するために、発光層からクラッド層への光のしみ出しを小さくして光を発光層に効率よく閉じ込める必要があった。これは、以下の理由による。すなわち、従来の窒化物系半導体レーザ素子では、発光層とクラッド層との屈折率差を小さくすることにより光のしみ出しを大きくしようとすると、発光層とクラッド層とのバンドギャップ差が小さくなるので、発光層からクラッド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローが増加する。キャリアのオーバーフローが増加すると、発光しにくくなるので、しきい値電流が増加するとともに、動作電流が増大するという不都合が生じる。このため、従来では、キャリアのオーバーフローを抑制してしきい値電流を低減するために、発光層とクラッド層との屈折率差を大きくして発光層とクラッド層とのバンドギャップを大きくしていた。このように、発光層とクラッド層との屈折率差を大きくすると、発光層からクラッド層への光のしみ出しが小さくなるので、光が発光層に効率よく閉じ込められる。その結果、発光層内での光密度が高くなるので、垂直方向のビーム広がり角度が大きくなる。
このように、従来の窒化物系半導体レーザ素子では、垂直方向のビーム広がり角度は、３０°前後と大きくなるように作製されていた（たとえば、非特許文献１参照）。この非特許文献１に開示された窒化物系半導体レーザ素子の垂直ビーム広がり角度は２９．９°である。
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３９（２０００）Ｌ６４７〜６５０
しかしながら、上記した従来の垂直ビーム広がり角度の大きい窒化物系半導体レーザ素子では、以下のような問題点があった。すなわち、窒化物系半導体レーザ素子は、赤外光や赤色光を発生するＡｌＧａＡｓ系およびＡｌＧａＩｎＰ系からなる半導体レーザ素子よりも、転位などの多くの結晶欠陥が含まれている。また、窒化物系半導体レーザ素子は、波長の短い紫〜紫外光を発しており、このような短波長光は、レーザ発振させるために大きなエネルギーを有する。上記した従来の垂直ビーム広がり角度の大きい窒化物系半導体レーザ素子では、光のしみ出しが小さくなるように構成されているので、発光層への光の閉じ込めが大きくなる。このため、素子内部の光密度が大きくなるので、転位などの結晶欠陥に起因した光吸収が発生しやすい。光吸収が発生すると、余分なエネルギーが消費されるので、動作電流が増加するという不都合が生じる。そして、動作電流が増加すると、素子内部の温度が上昇するため、バンドギャップが小さくなり、そのため、結晶欠陥に起因した光吸収が大きくなる。その結果、素子が急激に劣化するので、上記した従来の垂直ビーム広がり角度の大きい窒化物系半導体レーザ素子では、素子の長寿命化を図ることが困難であるという問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、素子の長寿命化を図ることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体レーザ素子において、発光層からクラッド層への光のしみ出しを大きくすることを可能にすることである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、発光層は、光を発生する活性層と、光を閉じ込める光ガイド層と、活性層と光ガイド層との間に配置され、光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層とを含む。
この第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、活性層と光ガイド層との間に、光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層を設けることによって、発光層とクラッド層との屈折率差を小さくすることなどにより光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層からクラッド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをそのキャリアブロック層により抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、発光層と第１クラッド層との間、および、発光層と第２クラッド層との間の少なくとも一方に配置され、隣接する第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備える。このように構成すれば、第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さい光しみ出し促進層により、発光層から第１または第２クラッド層への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、第１または第２クラッド層よりもバンドギャップが大きい光しみ出し促進層により、キャリアを発光層内に強く閉じ込めることができる。このように、光のしみ出しを大きくすることができるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。また、上記のように、キャリアを発光層内に強く閉じ込めることができるので、発光層からクラッド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをより抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大をより抑制することができる。このように、動作電流の増大をより抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができ、その結果、素子の長寿命化をより図ることができる。
この場合、好ましくは、キャリアブロック層および光しみ出し促進層の少なくとも一方は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＴｌからなるグループより選択された１つまたは２つの元素を含む。このように構成すれば、容易に、光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層と、第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層とを形成することができる。
上記の場合、好ましくは、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる。このように構成すれば、発光層とクラッド層との屈折率差を小さくした場合にも、発光層とクラッド層とのバンドギャップ差を大きく保つことができるので、発光層からクラッド層への光のしみ出しを大きくした場合にも、容易に、キャリアを発光層内に強く閉じ込めることができる。
この発明の第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、発光層は、光を発生する活性層と、活性層の上面側および下面側の少なくとも一方に形成された光を閉じ込めるための光ガイド層とを含み、第１クラッド層と第２クラッド層のうち、前記光ガイド層を有する側のクラッド層と光ガイド層との間に、前記光ガイド層を有する側のクラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備えている。
この第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、発光層が活性層と光ガイド層とを含み、光ガイド層と第１クラッド層、または、光ガイド層と第２クラッド層との間に、隣接する第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層を設けることによって、第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さい光しみ出し促進層により、発光層から第１または第２クラッド層への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、第１または第２クラッド層よりもバンドギャップが大きい光しみ出し促進層により、キャリアを発光層内に強く閉じ込めることができる。このように、光のしみ出しを大きくすることができるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。また、上記のように、キャリアを発光層内により強く閉じ込めることができるので、発光層からクラッド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをより抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大をより抑制することができる。このように、動作電流の増大をより抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができる。その結果、素子をより長寿命化することができる。
ここで、光ガイド層と光しみ出し層との界面には、不純物準位が形成される。この不純物準位に起因して光吸収が生じることにより動作電流やしきい値電流が増大する虞がある。一方、この第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、光しみ出し層は、活性層から光ガイド層の厚み分離れて配置されるので、光ガイド層と光しみ出し層との界面位置における光密度を小さくすることができる。この結果、上記界面における不純物準位に起因した光吸収を抑制することができるので、動作電流やしきい値電流の増大をより抑制することができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層の上面側および下面側の両方に光を閉じ込めるための光ガイド層を有している。このように構成すれば、活性層の両側に位置する光ガイド層により、発光層への光閉じ込めを容易に調整することができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１クラッド層と第２クラッド層のうち、光ガイド層を有する側と反対側のクラッド層と活性層との間に、前記光ガイド層を有する側と反対側のクラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備える。このように構成すれば、第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さい両方の光しみ出し促進層により、発光層から第１または第２クラッド層両方への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、第１または第２クラッド層よりもバンドギャップが大きい両方の光しみ出し促進層により、キャリアを発光層内にさらに強く閉じ込めることができる。
この発明の第３の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、発光層への光の閉じ込め度合いを小さくすることにより、垂直方向のビーム広がり角度を２０°以下にした。
この第３の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、発光層への光の閉じ込め度合いを小さくすることにより、垂直方向のビーム広がり角度を２０°以下にすることによって、発光層から第１クラッド層および第２クラッド層への光のしみ出しが大きくなるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、動作電流が増大するのを抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
なお、上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、光ガイド層は、活性層の上面上および下面上にそれぞれ形成されており、キャリアブロック層は、活性層と活性層の上面上に形成された光ガイド層との間、および、活性層と活性層の下面上に形成された光ガイド層との間の両方に配置されている。このように構成すれば、発光層から第１および第２クラッド層の両方へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをそのキャリアブロック層により抑制することができる。
上記光しみ出し促進層を備えた第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、光しみ出し促進層は、発光層と第１クラッド層との間、および、発光層と第２クラッド層との間の両方に配置されている。このように構成すれば、発光層から第１および第２クラッド層の両方への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、キャリアを発光層内により強く閉じ込めることができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、キャリアブロック層は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなるようにしてもよい。
また、上記第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方がＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、発光層と第１クラッド層との間、および、発光層と第２クラッド層との間の少なくとも一方に配置され、隣接する第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備え、キャリアブロック層および光しみ出し促進層の少なくとも一方は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなるようにしてもよい。
また、上記第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方がＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、ＧａＮと実質的に同じ格子定数を有するＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなるのが好ましい。このように構成すれば、ＧａＮからなる下地層を用いる場合に、下地層との格子定数差に起因する結晶欠陥の発生を大幅に抑制することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、発光層は、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造のいずれか一方からなる活性層を含む。このように構成すれば、光閉じ込めの制御が容易になる。
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層は、第１導電型の窒化物系半導体基板上に形成されているのが好ましい。このように構成すれば、結晶欠陥の少ない第１クラッド層を形成することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が２０°以下であるのが好ましい。このように構成すれば、発光層から第１クラッド層および第２クラッド層への光のしみ出しが大きくなるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、動作電流が増大するのを抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層と光ガイド層との間に、光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層をさらに備える。このように構成すれば、発光層とクラッド層との屈折率差を小さくすることなどにより光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層からクラッド層へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをそのキャリアブロック層により抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大をより抑制することができる。
また、上記のキャリアブロック層と光しみ出し促進層とを含む第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、キャリアブロック層および光しみ出し促進層の少なくとも一方は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＴｌからなるグループより選択された１つまたは２つの元素を含む。このように構成すれば、容易に、光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層と、第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層とを形成することができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる。このように構成すれば、発光層とクラッド層との屈折率差を小さくした場合にも、発光層とクラッド層とのバンドギャップ差を大きく保つことができるので、発光層からクラッド層への光のしみ出しを大きくした場合にも、容易に、キャリアを発光層内に強く閉じ込めることができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、光しみ出し促進層は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなっていてもよい。
また、上記第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方がＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１クラッド層および第２クラッド層の少なくとも一方は、ＧａＮと実質的に同じ格子定数を有するＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる。このように構成すれば、ＧａＮからなる下地層を用いる場合に、下地層との格子定数差に起因する結晶欠陥の発生を大幅に抑制することができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、発光層は、単一量子井戸構造および多重量子井戸構造のいずれか一方からなる活性層を含む。このように構成すれば、光閉じ込めの制御が容易になる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層は、第１導電型の窒化物系半導体基板上に形成されているのが好ましい。このように構成すれば、結晶欠陥の少ない第１クラッド層を形成することができる。
上記第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、垂直方向のビーム広がり角度が２０°以下であるのが好ましい。このように構成すれば、発光層から第１クラッド層および第２クラッド層への光のしみ出しが大きくなるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、動作電流が増大するのを抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図３は、図１および図２に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。第１実施形態の窒化物系半導体レーザ素子では、図１および図２に示すように、サファイア基板１上に、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２が形成されている。ｎ型コンタクト層２上には、約１μｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。この第１実施形態によるｎ型クラッド層３では、Ａｌ組成を小さくすることによって、後述する発光層５との屈折率差を小さくしている。これにより、発光層５からｎ型クラッド層３への光のしみ出しが大きくなる。
また、第１実施形態では、ｎ型クラッド層３上に、約２０ｎｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層４が形成されている。このｎ型光しみ出し促進層４は、ｎ型クラッド層３よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい。なお、ｎ型クラッド層３は、本発明の「第１クラッド層」の一例であり、ｎ型光しみ出し促進層４は、本発明の「光しみ出し促進層」の一例である。
また、ｎ型光しみ出し促進層４上には、多層膜構造からなる発光層５が形成されている。この多層膜構造からなる発光層５は、図３に示すように、約４ｎｍの厚みを有する３つのＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層５１と、約２０ｎｍの厚みを有する４つのＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層５２とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層を有する。ここで、ｘ＞ｙであり、第１実施形態においては、ｘ＝０．１３、ｙ＝０．０５である。
また、第１実施形態では、このＭＱＷ活性層の下面下に、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型キャリアブロック層５３が形成されているとともに、ｎ型キャリアブロック層５３の下には、約１００ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層５４が形成されている。このｎ型キャリアブロック層５３は、ｎ型光ガイド層５４よりもバンドギャップが大きくなるように形成されている。また、ｎ型キャリアブロック層５３は、キャリアのオーバーフローを抑制する機能と、光をしみ出させる機能とを有する。また、ＭＱＷ活性層の上面上には、約２０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型キャリアブロック層５５が形成されているとともに、ｐ型キャリアブロック層５５の上には、約１００ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層５６が形成されている。このｐ型キャリアブロック層５５は、ｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップが大きくなるように形成されている。また、ｐ型キャリアブロック層５５は、キャリアのオーバーフローを抑制する機能と、光をしみ出させる機能とを有する。
なお、ＭＱＷ活性層は、本発明の「活性層」の一例であり、ｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５は、本発明の「キャリアブロック層」の一例である。また、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６は、本発明の「光ガイド層」の一例である。
また、第１実施形態では、発光層５上に、約２０ｎｍの膜厚を有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型光しみ出し促進層６が形成されている。ｐ型光しみ出し促進層６上には、突出部を有するＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層７が形成されている。ｐ型光しみ出し促進層６は、ｐ型クラッド層７よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい。また、第１実施形態では、ｐ型クラッド層７のＡｌ組成を小さくすることによって、発光層５とｐ型クラッド層７との屈折率差を小さくしている。これにより、発光層５からｐ型クラッド層７への光のしみ出しが大きくなる。なお、ｐ型クラッド層７は、本発明の「第２クラッド層」の一例であり、ｐ型光しみ出し促進層６は、本発明の「光しみ出し促進層」の一例である。
また、ｐ型クラッド層７の突出部の膜厚は約０．３μｍであるとともに、突出部以外の領域の膜厚は約０．１μｍである。ｐ型クラッド層７の突出部の上面上には、約０．０７μｍの膜厚を有するＧａＮからなるｐ型コンタクト層８が形成されている。このｐ型コンタクト層８とｐ型クラッド層７の突出部とによって、リッジ部９が構成されている。
そして、ｐ型クラッド層７からｎ型コンタクト層２までの一部領域が除去されている。この除去されて露出しているｎ型コンタクト層２上の一部と、ｎ型クラッド層３、ｎ型光しみ出し促進層４、発光層５、ｐ型光しみ出し促進層６、ｐ型クラッド層７およびｐ型コンタクト層８の側面上と、ｐ型クラッド層７のリッジ部９以外の上面上と、共振器端面近傍のリッジ部９の上面上とに、約０．２μｍの厚さを有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層１０が形成されている。
また、ｐ型コンタクト層８上には、約１ｎｍの膜厚を有する下層のＰｔと、約３ｎｍの膜厚を有する上層のＰｄとからなるｐ側オーミック電極１１が形成されている。さらに、このｐ側オーミック電極１１上と電流ブロック層１０上とには、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｐ側パッド電極１２が形成されている。
また、露出しているｎ型コンタクト層２上の電流ブロック層１０が形成されていない部分に、約１０ｎｍの膜厚を有する下層のＴｉと、約０．１μｍの膜厚を有する上層のＡｌとからなるｎ側オーミック電極１３が形成されている。そして、このｎ側オーミック電極１３上には、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｎ側パッド電極１４が形成されている。
第１実施形態では、上記のように、発光層５内において、ＭＱＷ活性層とｎ型光ガイド層５４との間およびＭＱＷ活性層とｐ型光ガイド層５６との間に、それぞれ、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５を設けることによって、光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリアのオーバーフローをｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５により抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第１実施形態では、発光層５とｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７との間に、それぞれｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６を設けることによって、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりもそれぞれ屈折率が小さいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６により、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりもそれぞれバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６によりキャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができる。これにより、光のしみ出しを大きくすることができるので、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。また、上記のように、キャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができるので、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローをより抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大をより抑制することができる。このように、動作電流の増大をより抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができ、その結果、素子の長寿命化をより図ることができる。
また、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、光のしみ出しを大きくすることができるので、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１６°と小さくすることができる。これにより、垂直方向のビーム広がり角度が３０°前後と大きくなるように作製された従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べて、垂直方向のビーム広がり角度を大幅に小さくすることができる。
図４〜図７は、図１〜図３に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。次に、図４〜図７を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、図４に示すように、サファイア基板１上に、ＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相堆積法）を用いて、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２、約１μｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層３、約２０ｎｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層４、および、多層膜構造からなる発光層５を順次形成する。
この多層膜構造からなる発光層５は、ｎ型光しみ出し促進層４上に、図３に示したような、約１００ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層５４、および、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型キャリアブロック層５３を順次形成する。続いて、ｎ型キャリアブロック層５３上に、約２０ｎｍの厚みを有する４つのＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層５２と、約４ｎｍの厚みを有する３つのＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層５１とを交互に順次形成することにより、ＭＱＷ活性層を形成する。次に、ＭＱＷ活性層上に、約２０ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型キャリアブロック層５５、および、約１００ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層５６を順次形成する。
次に、図４に示すように、発光層５上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約２０ｎｍの膜厚を有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型光しみ出し促進層６、約０．３μｍの膜厚を有するｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層７、および、約０．０７μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層８を順次形成する。なお、上記結晶成長において、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇを用いる。
次に、図５に示すように、ｐ型コンタクト層８上の全面に、プラズマＣＶＤ法を用いて、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜１５を形成する。フォトリソグラフィー技術およびフッ酸系のエッチング技術を用いて、ＳｉＯ2膜１５の一部領域をエッチング除去する。そして、塩素系ガスによるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、ｐ型コンタクト層８、ｐ型クラッド層７、ｐ型光しみ出し層６、発光層５、ｎ型光しみ出し層４、ｎ型クラッド層３、および、ｎ型コンタクト層２の途中までエッチングすることによって、ｎ型コンタクト層２の上面を露出させる。
次に、フォトリソグラフィー技術およびフッ酸系のエッチング技術を用いて、ＳｉＯ2膜１５をパターニングすることによって、図６に示すような、約２μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜１５を形成する。そして、ストライプ状のＳｉＯ2膜１５をエッチングマスクとして、塩素系ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型コンタクト層８およびｐ型クラッド層７の一部をエッチング除去することにより、リッジ部９を形成する。なお、リッジ部９の形成時のエッチングの深さは、ｐ型コンタクト層８の上面から約０．２７μｍとする。これにより、リッジ部９以外のｐ型クラッド層７の膜厚は約０．１μｍとなる。その後、フッ酸系のエッチングを用いて、リッジ部９上のＳｉＯ2膜１５を除去する。
次に、図７に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層１０を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびＣＦ4によるＲＩＥ法を用いて、共振器端面近傍を除くリッジ部９上の電流ブロック層１０と、ｎ型コンタクト層２の一部上の電流ブロック層１０とを除去することによって、図２に示したように、ｐ型コンタクト層８の上面の一部を露出させるとともに、ｎ型コンタクト層２上の一部を露出させる。
最後に、図２に示したように、真空蒸着法を用いて、共振器端面近傍を除くリッジ部９上のｐ型コンタクト層８上に、約１ｎｍの膜厚を有する下層のＰｔと、約３ｎｍの膜厚を有する上層のＰｄとからなるｐ側オーミック電極１１を形成する。そして、ｐ側オーミック電極１１上と、電流ブロック層１０上とに、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｐ側パッド電極１２を形成する。また、真空蒸着法を用いて、ｎ型コンタクト層２上に、約１０ｎｍの膜厚を有する下層のＴｉと、約０．１μｍの膜厚を有する上層のＡｌとからなるｎ側オーミック電極１３を形成する。そして、ｎ側オーミック電極１３上に、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｎ側パッド電極１４を形成する。このようにして、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が製造される。
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図８を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態の構造において、発光層５と、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７との間に、光しみ出し促進層が形成されていない例について説明する。なお、第２実施形態のその他の構造および製造方法は、第１実施形態とほぼ同様である。
すなわち、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図３に示した第１実施形態と同様、発光層５内において、ＭＱＷ活性層とｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６との間に、それぞれｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５が設けられている。これにより、光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリアのオーバーフローをｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５により抑制することができる。このため、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第２実施形態では、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７のＡｌ組成を小さくすることにより発光層５とｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７との屈折率差を小さくすることによって、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７への光のしみ出しを大きくすることができる。なお、第２実施形態では、光しみ出し促進層を設けていないので、その分、第１実施形態に比べて光のしみ出し度合いは小さい。したがって、この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、レーザ発振時の垂直広がり角度は、第１実施形態（約１６°）よりも若干大きい約１７°となる。ただし、垂直方向のビーム広がり角度が３０°前後と大きくなるように作製された従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べると、垂直方向のビーム広がり角度を大幅に小さくすることができる。これにより、素子内部での光密度を低減することができるので、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができる。このため、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。これによっても、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができるので、素子の長寿命化を図ることができる。
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図９を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態の構造において、発光層５内において、ＭＱＷ活性層とｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６との間に、キャリアブロック層が形成されていない例について説明する。なお、第３実施形態のその他の構造および製造方法は、第１実施形態とほぼ同様である。
すなわち、第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図２に示した第１実施形態と同様、発光層５とｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７との間に、それぞれｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６が設けられている。これにより、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりもそれぞれ屈折率が小さいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６により、発光・BR>W５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりもそれぞれバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６によりキャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができる。このため、素子内部での光密度を低減することができる。これにより、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。
また、上記のように、キャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができるので、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリア（電子や正孔）のオーバーフローを抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。
このように、動作電流の増大を抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができ、その結果、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第３実施形態では、光しみ出し促進層４および６を光ガイド層５４および５６の厚み分（約１００ｎｍ）ＭＱＷ活性層から離間させて形成している。一方、上記した第２実施形態で用いるキャリアブロック層５３、５５はＭＱＷ活性層と接して形成している。光しみ出し促進層４および６、キャリアブロック層５３および５５は、バンドギャップを大きくする必要があるために、多くのＡｌを含有している（第２および第３実施形態では、いずれもＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる）。Ａｌは活性な元素であるため、結晶成長装置内に存在するたとえば酸素や炭素などの不純物ガスと反応しやすい。したがって、光しみ出し促進層４、６やキャリアブロック層５３、５５と、これらの層と接する上層との界面（ｎ型光しみ出し促進層４と発光層５の下面（ｎ型光ガイド層５４の下面）との界面、ｐ型光しみ出し促進層６とｐ型クラッド層７の下面との界面、ｎ型キャリアブロック層５３と最下層の量子障壁層５２の下面との界面、および、ｐ型キャリアブロック層５５とｐ型光ガイド層５６の下面との界面）に、結晶成長装置内に存在するたとえば酸素や炭素などの不純物元素が蓄積されやすい。これらの不純物元素は、不純物準位を形成し、これらの準位を介して、光吸収が生じる虞がある。この結果、しきい値電流や動作電流が増大する虞がある。上述のように、第３実施形態では、第２実施形態と比べて、光ガイド層５４、５６の厚み分（約１００ｎｍ）、ＭＱＷ活性層から、これらの界面を遠ざけることができる。光密度は、ＭＱＷ活性層から遠ざかると小さくなるので、上記界面で生じる光吸収は、第２実施形態と比べて第３実施形態の方が小さくなる。したがって、第３実施形態では、第２実施形態と比べて、しきい値電流や動作電流の増大をより一層抑制することができる。
また、第３実施形態では、第１実施形態と同様、発光層５とｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７との屈折率差を小さくするとともに、ｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６を設けることによって、光のしみ出しを大きくすることができるので、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１８°と小さくすることができる。すなわち、垂直方向のビーム広がり角度が３０°前後と大きくなるように作製された従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べると、垂直方向のビーム広がり角度を大幅に小さくすることができる。なお、第３実施形態では、キャリアのブロック機能を有するキャリアブロック層を設けていないので、その分、第１実施形態に比べるとキャリアの閉じ込めが弱くなる。
なお、第３実施形態では、ＭＱＷ活性層の上下に光ガイド層５４、５６を設けたが、どちらか一方を設けない構造がより好ましい。この場合、ＭＱＷ活性層に光を閉じ込めるための光ガイド層の一方が存在しないので、図９に示した第３実施形態と比較してＭＱＷ活性層への光の閉じ込めを小さくすることができる。したがって、ｎ型クラッド層３あるいはｐ型クラッド層７への光のしみ出しを大きくすることができる。一方、発光層５の上面上および下面上の両方に、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６が設けられているので、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリア（電子やホール）のオーバフローを抑制することができる。この結果、第３実施形態において、光ガイド層５４および５６のどちらか一方を設けないようにすれば、しきい値電流の増加を抑制し、かつ、第１実施形態と同様に、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１６°と小さくすることができる。
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１０を参照して、この第４実施形態では、第１実施形態の構造において、サファイア基板１の代わりに導電性のｎ型ＧａＮ基板６１を用いた例について説明する。
この第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、第１実施形態と異なり、導電性のｎ型ＧａＮ基板６１の裏面に、ｎ側オーミック電極１３およびｎ側パッド電極１４が形成されている。また、第１実施形態と異なり、ｐ型コンタクト層８からｎ型コンタクト層２の一部領域が除去されていない。なお、第４実施形態のその他の構造は、第１実施形態とほぼ同様である。
なお、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の効果は、上記した第１実施形態と同様である。すなわち、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５によって、光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７へのキャリアのオーバーフローをｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５により抑制することができるので、しきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。
また、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりも屈折率が小さいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６により、発光層５からｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、ｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７よりもバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層４およびｐ型光しみ出し促進層６によりキャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができる。これにより、光のしみ出しを大きくすることができるので、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することがでる。このため、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。上記のように、動作電流の増大を抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができる。その結果、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、光のしみ出しを大きくすることができるので、第１実施形態と同様、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１６°と小さくすることができる。
図１１〜１４は、図１０に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。次に、図１１〜図１４を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板６１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２、約１μｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層３、約２０ｎｍの膜厚を有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層４、および、多層膜構造からなる発光層５を順次形成する。
この多層膜構造からなる発光層５の形成方法としては、ｎ型光しみ出し促進層４上に、図３に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、約１００ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層５４、約２０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型キャリアブロック層５３、約２０ｎｍの厚みを有する４つのＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層５２と約４ｎｍの厚みを有する３つのＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層５１とが交互に配置されたＭＱＷ活性層、約２０ｎｍの厚みを有するＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型キャリアブロック層５５、および、約１００ｎｍの厚みを有するＧａＮからなるｐ型光ガイド層５６を順次形成する。
次に、発光層５上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、約２０ｎｍの膜厚を有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型光しみ出し促進層６、約０．３μｍの膜厚を有するｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層７、および、約０．０７μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層８を順次形成する。なお、上記結晶成長において、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇを用いる。
次に、図１２に示すように、ｐ型コンタクト層８上の全面に、プラズマＣＶＤ法を用いて、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜１５を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびフッ酸系のエッチング技術を用いて、ＳｉＯ2膜１５をパターニングすることによって、図１３に示すような約２μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜１５を形成する。そして、ストライプ状のＳｉＯ2膜１５をエッチングマスクとして、塩素系ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型コンタクト層８およびｐ型クラッド層７の一部をエッチング除去することにより、リッジ部９を形成する。なお、リッジ部９の形成時のエッチングの深さは、ｐ型コンタクト層８の上面から約０．２７μｍとする。これにより、リッジ部９以外のｐ型クラッド層の膜厚は約０．１μｍとなる。その後、フッ酸系のエッチングを用いて、リッジ部９上のＳｉＯ2膜１５を除去する。
次に、図１４に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2からなる電流ブロック層１０を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびＣＦ4によるＲＩＥ法を用いて、共振器端面近傍を除くリッジ部９上の電流ブロック層１０を除去することによって、図１０に示したように、ｐ型コンタクト層８の上面の一部を露出させる。
最後に、図１０に示したように、真空蒸着法を用いて、共振器端面近傍を除くリッジ部９上のｐ型コンタクト層８上に、約１ｎｍの膜厚を有する下層のＰｔと、約３ｎｍの膜厚を有する上層のＰｄとからなるｐ側オーミック電極１１を形成する。そして、ｐ側オーミック電極１１上と、電流ブロック層１０上とに、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｐ側パッド電極１２を形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板６１の裏面を、ラッピングにより基板厚が約１００μｍになるまで削る。その後、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板６１の裏面上に、約１０ｎｍの膜厚を有する下層のＴｉと、約０．１μｍの膜厚を有する上層のＡｌとからなるｎ側オーミック電極１３を形成する。そして、ｎ側オーミック電極１３下に、約０．１μｍの膜厚を有する下層のＮｉと、約３μｍの膜厚を有する上層のＡｕとからなるｎ側パッド電極１４を形成する。このようにして、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が製造される。
（第５実施形態）
図１５は、本発明の第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１６は、図１５に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図１５および図１６を参照して、この第５実施形態では、上記第１〜第４実施形態で用いた３元混晶ＡｌＧａＮと異なり、４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いる例について説明する。
具体的には、第１〜第４実施形態で用いたＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７に代えて、Ａｌ0.12Ｉｎ0.05Ｇａ0.83Ｎからなるｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７を用いる。また、第１〜第４実施形態で用いたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層４、ｐ型光しみ出し促進層６、ｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５に代えて、Ａｌ0.24Ｉｎ0.05Ｇａ0.71Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層７４、ｐ型光しみ出し促進層７６、ｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５を用いる。
ここで、ｎ型光しみ出し促進層７４およびｐ型光しみ出し促進層７６は、ｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい。また、ｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５は、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップが大きい。このｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５は、キャリアのオーバーフローを抑制する機能と、光をしみ出させる機能とを有する。なお、ｎ型クラッド層７３は、本発明の「第１クラッド層」の一例であり、ｐ型クラッド層７７は、本発明の「第２クラッド層」の一例である。また、ｎ型光しみ出し促進層７４およびｐ型光しみ出し促進層７６は、本発明の「光しみ出し促進層」の一例である。また、ｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５は、本発明の「キャリアブロック層」の一例である。なお、第５実施形態のその他の構造および製造方法は、第１実施形態とほぼ同様である。
ここで、第５実施形態のｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７として用いる４元混晶Ａｌ0.12Ｉｎ0.05Ｇａ0.83Ｎの屈折率は２．５４０であり、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとほぼ同じ屈折率である。また、第５実施形態のｎ型光しみ出し促進層７４、ｐ型光しみ出し促進層７６、ｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５として用いる４元混晶Ａｌ0.24Ｉｎ0.05Ｇａ0.71Ｎの屈折率は２．５０１であり、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとほぼ同じ屈折率である。これにより、第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、光閉じ込めにおいて、第１〜第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第５実施形態のｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７として用いる４元混晶Ａｌ0.12Ｉｎ0.05Ｇａ0.83Ｎのバンドギャップは、３元混晶Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎのバンドギャップよりも大きいとともに、第５実施形態のｎ型光しみ出し促進層７４、ｐ型光しみ出し促進層７６、ｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５として用いる４元混晶Ａｌ0.24Ｉｎ0.05Ｇａ0.71Ｎのバンドギャップは、３元混晶Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりも大きい。これにより、同じ屈折率を有する３元混晶と４元混晶とを比較した場合、４元混晶のバンドギャップは、３元混晶のバンドギャップより大きくなる。
図１７は、本発明の第５実施形態による３元混晶および４元混晶のバンドギャップと屈折率との関係を計算によって求めたグラフである。図１７中のＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝２％）の直線は、Ｉｎ組成を２％で一定にした場合において、ＡｌとＧａとの組成を変化させた場合のバンドギャップと屈折率との関係を示している。このＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝２％）の組成の一般式は、ＡｌWＩｎ0.02Ｇａ(0.98-W)Ｎとなる。また、ＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝５％）の直線は、Ｉｎ組成を５％で一定にした場合において、ＡｌとＧａとの組成を変化させた場合のバンドギャップと屈折率との関係を示している。このＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝５％）の組成の一般式は、ＡｌVＩｎ0.05Ｇａ(0.95-V)Ｎとなる。
図１７を参照して、全ての３元混晶および４元混晶の直線において、バンドギャップと屈折率との関係は、ほぼ直線的な関係になっているとともに、屈折率が小さいほどバンドギャップは大きくなっている。また、４元混晶ＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝２％）の直線は、３元混晶ＡｌＧａＮの直線よりも上方に位置するとともに、４元混晶ＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝５％）の直線は、４元混晶ＡｌＩｎＧａＮ（Ｉｎ＝２％）の直線よりも上方に位置する。これにより、同じ屈折率において、バンドギャップは、ＡｌＧａＮ、ＡｌWＩｎ0.02Ｇａ(0.98-W)Ｎ、ＡｌVＩｎ0.05Ｇａ(0.95-V)Ｎの順に大きくなる。たとえば、屈折率２．５２では、ＡｌＧａＮ、ＡｌWＩｎ0.02Ｇａ(0.98-W)ＮおよびＡｌVＩｎ0.05Ｇａ(0.95-V)Ｎのバンドギャップは、それぞれ、３．６１、３．６９および３．７９となっている。このように、Ｉｎの増加に伴いバンドギャップは大きくなっている。
これは、以下の理由による。すなわち、Ｉｎの増加に伴い、屈折率が大きくなる。この場合、Ｉｎを添加する前の屈折率を保つためには、Ｉｎが添加されている状態で屈折率を小さくする必要がある。このためには、Ａｌ組成を大きくする必要がある。Ａｌ組成が大きくなると、ＡｌＩｎＧａＮのバンドギャップも大きくなる。このため、Ｉｎの増加に伴ってバンドギャップが大きくなる。
第５実施形態では、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶ＡｌＧａＮよりもバンドギャップが大きい４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いることによって、第１〜第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子よりも、キャリアのオーバーフローをより抑制することができるので、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を大幅に抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができるので、第１実施形態に比べて、より素子の長寿命化を図ることができる。
なお、第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のその他の効果は、上記した第１実施形態と同様である。すなわち、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５によって、光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７へのキャリアのオーバーフローをｎ型キャリアブロック層７５３およびｐ型キャリアブロック層７５５により抑制することができるので、しきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。
また、ｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７よりも屈折率が小さいｎ型光しみ出し促進層７４およびｐ型光しみ出し促進層７６により、発光層５からｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、ｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７よりもバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層７４およびｐ型光しみ出し促進層７６によりキャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができる。これにより、光のしみ出しを大きくすることができるので、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができる。このため、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。このため、動作電流の増大を抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができる。その結果、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、光のしみ出しを大きくすることができるので、第１実施形態と同様、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１６°と小さくすることができる。
（第６実施形態）
図１８は、本発明の第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１９は、図１８に示した第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図１８および図１９を参照して、この第６実施形態では、上記した第５実施形態の構造において、Ａｌ0.24Ｉｎ0.05Ｇａ0.71Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層、ｐ型光しみ出し促進層およびｎ型キャリアブロック層を形成せず、４元混晶Ａｌ0.24Ｉｎ0.05Ｇａ0.71Ｎからなるｐ型キャリアブロック層７５５のみを設けた例について説明する。なお、第６実施形態のその他の構造および製造方法は、第５実施形態とほぼ同様である。
すなわち、第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１９に示すように、発光層５内において、ＭＱＷ活性層とｐ型光ガイド層５６との間に、ｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｐ型キャリアブロック層７５５が設けられている。これにより、発光層５とｐ型クラッド層７７との屈折率差を小さくすることにより光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｐ型クラッド層７７へのキャリアのオーバーフローをｐ型キャリアブロック層７５５により抑制することができる。これにより、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。
また、上記第６実施形態では、ｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７のＡｌ組成を大きくすることによって、ｎ型クラッド層７３およびｐ型クラッド層７７と発光層５との屈折率差を小さくすることができるので、光のしみ出しを大きくすることができる。なお、第６実施形態では、ｎ型光しみ出し促進層、ｐ型光しみ出し促進層およびｎ型キャリアブロック層を設けていないため、第５実施形態に比べて、光のしみ出しは小さくなる。このため、第６実施形態のレーザ発振時の垂直広がり角度は約１８°と、第５実施形態（約１６°）に比べて少し大きくなる。ただし、垂直方向のビーム広がり角度が３０°前後と大きくなるように作製された従来の窒化物系半導体レーザ素子に比べると、垂直方向のビーム広がり角度を大幅に小さくすることができる。
さらに、第６実施形態では、第５実施形態と同様、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶ＡｌＧａＮよりもバンドギャップが大きい４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いることによって、キャリアのオーバーフローをより抑制することができるので、しきい値電流の上昇や動作電流の増大を大幅に抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができるので、大幅に素子の長寿命化を図ることができる。
（第７実施形態）
図２０は、本発明の第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図２１は、図２０に示した第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図２０および図２１を参照して、この第７実施形態では、上記第１〜第４実施形態で用いた３元混晶ＡｌＧａＮと異なり、４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いるとともに、ＧａＮと格子整合する４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いる。
具体的には、第１〜第４実施形態で用いたＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層７に代えて、Ａｌ0.04Ｉｎ0.005Ｇａ0.955Ｎからなるｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７を用いる。また、第１〜第４実施形態で用いたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層４、ｐ型光しみ出し促進層６、ｎ型キャリアブロック層５３およびｐ型キャリアブロック層５５に代えて、Ａｌ0.19Ｉｎ0.025Ｇａ0.785Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層８４、ｐ型光しみ出し促進層８６、ｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５を用いる。さらに、第７実施形態で用いる上記４元混晶は、第５および第６実施形態で用いた４元混晶と異なり、ＧａＮとほぼ同じ格子定数を有しているので、ＧａＮと格子整合する。
ここで、ｎ型光しみ出し促進層８４およびｐ型光しみ出し促進層８６は、ｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい。また、ｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５は、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップが大きい。ｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５は、キャリアのオーバーフローを抑制する機能と、光をしみ出させる機能とを有する。なお、ｎ型クラッド層８３は、本発明の「第１クラッド層」の一例であり、ｐ型クラッド層８７は、本発明の「第２クラッド層」の一例である。また、ｎ型光しみ出し促進層８４およびｐ型光しみ出し促進層８６は、本発明の「光しみ出し促進層」の一例である。また、ｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５は、本発明の「キャリアブロック層」の一例である。なお、第７実施形態のその他の構造および製造方法は、第１実施形態とほぼ同様である。
図２２は、本発明の第７実施形態によるＧａＮと格子整合する４元混晶および３元混晶のバンドギャップと屈折率との関係を計算によって求めたグラフである。図２２を参照して、ＧａＮに格子整合する４元混晶の直線は、３元混晶のＡｌＧａＮの直線よりも上方に位置する。これにより、同じ屈折率において、バンドギャップは、ＧａＮに格子整合する４元混晶の方が３元混晶より大きくなる。
また、第７実施形態のｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７として用いる４元混晶Ａｌ0.04Ｉｎ0.005Ｇａ0.955Ｎの屈折率は２．５４０であり、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとほぼ同じ屈折率である。また、第７実施形態のｎ型光しみ出し促進層８４、ｐ型光しみ出し促進層８６、ｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５として用いる４元混晶Ａｌ0.19Ｉｎ0.025Ｇａ0.785Ｎの屈折率は２．５０１であり、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとほぼ同じ屈折率である。これにより、第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、光閉じ込めにおいて、第１〜第４実施形態と同様の効果を得ることができる。また、バンドギャップは、ＧａＮに格子整合する４元混晶Ａｌ0.04Ｉｎ0.005Ｇａ0.955Ｎの方が、３元混晶Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎより大きいとともに、ＧａＮに格子整合する４元混晶Ａｌ0.19Ｉｎ0.025Ｇａ0.785Ｎの方が３元混晶Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎより大きくなっている。
第７実施形態では、第１〜第４実施形態で用いた３元混晶ＡｌＧａＮよりもバンドギャップが大きい４元混晶ＡｌＩｎＧａＮを用いることによって、第１〜第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子よりも、キャリアのオーバーフローをより抑制することができるので、キャリアのオーバーフローに伴って発光しにくくなるために発生するしきい値電流の上昇や動作電流の増大を大幅に抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができるので、第１実施形態に比べて、より素子の長寿命化を図ることができる。
また、第７実施形態では、第５および第６実施形態で用いた４元混晶ＡｌＩｎＧａＮと異なり、ｎ型ＧａＮコンタクト層２と同じ格子定数を有する４元混晶を用いることによって、第５および第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子よりも、格子定数差に起因する結晶欠陥の発生を大幅に抑制することができる。これにより、高品質な結晶を得ることができるとともに、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大を大幅に抑制することができる。その結果、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのをより抑制することができるので、大幅に素子の長寿命化を図ることができる。
なお、第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のその他の効果は、上記した第１実施形態と同様である。すなわち、ｎ型光ガイド層５４およびｐ型光ガイド層５６よりもバンドギャップの大きいｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５によって、光のしみ出しを大きくした場合にも、発光層５からｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７へのキャリアのオーバーフローをｎ型キャリアブロック層８５３およびｐ型キャリアブロック層８５５により抑制することができるので、しきい値電流の上昇や動作電流の増大を抑制することができる。
また、ｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７よりも屈折率が小さいｎ型光しみ出し促進層８４およびｐ型光しみ出し促進層８６により、発光層５からｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７への光のしみ出しを大きくすることができるとともに、ｎ型クラッド層８３およびｐ型クラッド層８７よりもバンドギャップが大きいｎ型光しみ出し促進層８４およびｐ型光しみ出し促進層８６によりキャリアを発光層５内に強く閉じ込めることができる。これにより、光のしみ出しを大きくすることができるので、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することがでる。このため、光吸収に起因する動作電流の増大を抑制することができる。上記のように、動作電流の増大を抑制することができるので、動作電流の増大に伴う素子内部の温度上昇に起因して素子が劣化するのを抑制することができる。その結果、素子の長寿命化を図ることができる。
また、第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、光のしみ出しを大きくすることができるので、第１実施形態と同様、レーザ発振時の垂直広がり角度を約１６°と小さくすることができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１〜第７実施例では、基板とｎ型コンタクト層との間にバッファ層を形成していないが、本発明はこれに限らず、基板とｎ型コンタクト層との間にＡｌＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる低温バッファ層を形成してもよい。さらに、この低温バッファ層上にアンドープのＡｌＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる高温バッファ層を形成してもよい。
また、上記第７実施形態では、約１μｍの膜厚を有するｎ型クラッド層３を形成したが、本発明はこれに限らず、ｎ型コンタクト層２と同等の格子定数を有する４元混晶を用いるので、１．５μｍ以上の大きい膜厚を有するｎ型クラッド層を形成してもよい。この場合、ｎ型クラッド層への光のしみ出しを、さらに大きくすることができるので、垂直方向のビーム広がり角度をさらに小さくすることができる。
また、上記第７実施形態では、Ａｌ0.19Ｉｎ0.025Ｇａ0.785Ｎからなるｎ型光しみ出し促進層、ｐ型光しみ出し促進層およびｎ型キャリアブロック層を形成したが、本発明はこれに限らず、これらの層を形成しなくてもよい。この場合には、第６実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、この効果に加えて、ｎ型ＧａＮコンタクト層２と同等の格子定数を有する４元混晶を用いるので、格子定数差に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる。これにより、高品質な結晶を得ることができるとともに、結晶欠陥に起因する光吸収を低減することができるので、光吸収に起因する動作電流の増大をより抑制することができる。また、ｎ型コンタクト層２と同等の格子定数を有する４元混晶を用いるので、１．５μｍ以上の大きい膜厚を有するｎ型クラッド層を形成することができる。この場合、ｎ型クラッド層への光のしみ出しを、さらに大きくすることができるので、垂直方向のビーム広がり角度をさらに小さくできる。
以上のように、本発明によれば、素子の長寿命化を図ることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することができる。
本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 図１および図２に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 図１〜図３に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 図１〜図３に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 図１〜図３に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 図１〜図３に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 図１０に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 図１０に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 図１０に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 図１０に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。 本発明の第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 図１５に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第５実施形態による３元混晶および４元混晶のバンドギャップと屈折率との関係を計算によって求めたグラフである。 本発明の第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 図１８に示した第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。 図２０に示した第７実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。 本発明の第７実施形態によるＧａＮと格子整合する４元混晶および３元混晶のバンドギャップと屈折率との関係を計算によって求めたグラフである。
符号の説明
３、７３、８３ ｎ型クラッド層（第１クラッド層）
５ 発光層
７、７７、８７ ｐ型クラッド層（第２クラッド層）
５３、７５３、８５３ ｎ型キャリアブロック層（キャリアブロック層）
５４ ｎ型光ガイド層（光ガイド層）
５５、７５５、８５５ ｐ型キャリアブロック層（キャリアブロック層）
５６ ｐ型光ガイド層（光ガイド層）

Claims (8)

  1. 第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、
    前記発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、
    前記発光層は、
    光を発生する活性層と、
    光を閉じ込める光ガイド層と、
    前記活性層と前記光ガイド層との間に配置され、前記光ガイド層よりもバンドギャップの大きいキャリアブロック層とを含む、窒化物系半導体レーザ素子。
  2. 前記発光層と前記第１クラッド層との間、および、前記発光層と前記第２クラッド層との間の少なくとも一方に配置され、隣接する前記第１または第２クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備える、請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  3. 前記キャリアブロック層および前記光しみ出し促進層の少なくとも一方は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＴｌからなるグループより選択された１つまたは２つの元素を含む、請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  4. 前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の少なくとも一方は、ＡｌとＧａとＩｎとを含む窒化物からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  5. 第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、
    前記発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、
    前記発光層は、
    光を発生する活性層と、
    前記活性層の上面側および下面側の少なくとも一方に形成された光を閉じ込めるための光ガイド層とを含み、
    前記第１クラッド層と前記第２クラッド層のうち、前記光ガイド層を有する側のクラッド層と前記光ガイド層との間に、前記光ガイド層を有する側のクラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備える、窒化物系半導体レーザ素子。
  6. 前記活性層の上面側および下面側の両方に光を閉じ込めるための光ガイド層を有している、請求項５に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  7. 前記第１クラッド層と前記第２クラッド層のうち、前記光ガイド層を有する側と反対側のクラッド層と前記活性層との間に、前記光ガイド層を有する側と反対側のクラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、バンドギャップが大きい光しみ出し促進層をさらに備える、請求項５に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
  8. 第１導電型の窒化物系半導体からなる第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層上に形成され、窒化物系半導体からなる発光層と、
    前記発光層上に形成され、第２導電型の窒化物系半導体からなる第２クラッド層とを備え、
    前記発光層への光の閉じ込め度合いを小さくすることにより、垂直方向のビーム広がり角度を２０°以下にした、窒化物系半導体レーザ素子。
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