JP2009129919A - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リップルが低減され、遠視野像の形状がガウシアン形状に近い窒化物半導体レーザ装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、共振器端面と交差する方向に延びるリッジストライプ状のリッジ導波路部１２ａを有する半導体層積層体１２を備えている。半導体層積層体１２の上には、リッジ導波路部１２ａの両側面を覆うように誘電体層１６が形成されている。半導体層積層体１２の上におけるリッジ導波路部１２ａの両側方には、リッジ導波路部１２ａ及び共振器端面と間隔をおいて光吸収層１７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に窒化物を用いた青色から紫外域の半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

従来から通信用レーザやコンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルヴァーサタイルディスク（ＤＶＤ）用の読み出し、書き込み素子として、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）系赤外レーザやインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）系赤色レーザ等のIII−Ｖ族化合物半導体レーザ装置が広く用いられている。

近年、一般式がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いて、さらに波長の短い青色や紫外の半導体レーザ装置が実現されている。これらの半導体レーザ装置は、次世代ＤＶＤ（Blu-Ray Disc）等の高密度光ディスクの書き込み及び読み出し光源として実用化されつつある。現在、青色の半導体レーザ装置は、再生用の数十ｍＷの低出力のものと、記録用の１００ｍＷ級の高出力のものとが市販されている。記録速度の向上を実現するために、青色半導体レーザ装置のさらなる高出力化が行われており、２００ｍＷ級の半導体レーザ装置も市場に登場しつつある。

一般的に、窒化物半導体レーザ装置の基板水平方向の注入電流狭窄は、窒化物半導体材料の一部をストライプ状にエッチングして形成したリッジ構造により行う。また、基板水平方向の光閉じ込めは実屈折率導波構造により行う。このため、ストライプ状の光導波領域内を伝播するレーザ光は基板水平方向に漏洩しやすい。漏洩した光（迷光）は、レーザ共振器方向に多重反射し、最終的には出射端面から放出される。その結果、迷光が主レーザ光と干渉し、遠視野像（FFP:Far Field Pattern）にリップルが出現したり、ガウシアン形状から外れたりする。このようなレーザ光を光ディスクの読み出し及び書き込み等に用いると、光の利用効率が減少するため、ノイズが発生したり、読取りエラーが発生したりする。

これまでにも、窒化物半導体レーザにおいて、基板水平方向の漏れ光によるリップルを抑制し、良好なＦＦＰ形状を得る方法が検討されている。

例えば、ｐ側電極の一部をリッジストライプ外のｐ型クラッド層が露出した部分にも連続して形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。これにより、リッジ導波路部の外に漏れ出た迷光は、ｐ側電極により吸収され、ＦＦＰの形状を改善することができる。

また、リッジ導波路部から離れた部分に導波路の屈折率よりも大きい屈折率を持つ誘電体、金属又は半導体等からなる光吸収領域を形成することにより、ＦＦＰの形状を改善する技術が開示されている（例えば、特許文献２及び３を参照。）。

他に、光出射端面側の近傍に、複数の凹部を形成し、リッジ導波路部からの漏れ光を散乱させることにより、ＦＦＰ形状を改善する技術が開示されている（例えば、特許文献４を参照。）。
特開平１１−１８６６５０号公報 特開２００２−２３７６６１号公報 特開２００６−２１６７３１号公報 特開２００５−３１１３０８号公報

しかしながら、従来のＦＦＰ形状を改善する技術には、以下のような問題がある。まず、ｐ側電極をリッジ導波路部だけでなくｐ型クラッド層の露出面の上にも形成する場合には、リッジ導波路部以外の部分においても電流が流れてしまうという問題がある。リッジ導波路部以外の部分において流れる電流は、リッジ導波路部の１００分の１程度である。しかし、半導体レーザ装置の出力を増大させるために、注入電流を大きくすると、リッジ導波部以外の部分に流れるリーク電流を無視できなくなる。リーク電流は、ＦＦＰ形状を悪化させ、新たなリップルの原因となる。

また、リッジ導波路部以外の部分にもｐ側電極を形成するために、ｐ側電極の幅をリッジ導波路部の幅よりも遙かに大きくする必要がある。このような幅広いｐ側電極は、共振器端面部にクラック、微小な段差及び欠け等が発生する劈開不良の原因となる。また、端面部において電極剥がれが生じやすくなる。その結果、歩留まりが低下してしまう。また、端面部において光が散乱しやすくなりＦＦＰ形状の不良が生じる新たな原因となる。

吸収層を誘電体とすれば、リーク電流のおそれはなくなる。しかし、十分に大きな吸収係数を持つ誘電体材料が存在しないため、光吸収の効果を十分得ることができない。

吸収層を半導体とする場合には、少なくとも２回の半導体層の成長が必要になり、コスト的に非常に不利になる。また、光吸収の多い半導体層は、欠陥の多い層であったり、不純物が多い層であったり、Ｉｎ組成が高い層等であったりする。このため、吸収層が半導体レーザ装置の劣化を促進し、信頼性が低下する。

吸収層を形成せず、凹部の形成により漏れ光を散乱させる場合には、吸収層において生じるような問題は生じない。しかし、漏れ光を散乱させるのみであるため、散乱された光の一部は位相の異なる状態で導波路部に帰還し、ノイズの原因となる。窒化物半導体レーザ装置の場合、自発分極と歪みによるピエゾ効果とによるバンドベンディング、高い注入キャリア密度によるバンドシュリンク及び発熱による発振波長の長波長シフト等が生じる。このため、リッジ導波路部における発振波長が、周辺領域の吸収端の波長よりも長波長となる傾向がある。従って、導波路から漏れた光を散乱するだけでは光を吸収できずに迷光として共振器内で散乱を繰り返すため、最終的には端面から漏れ出てＦＦＰに干渉するか、導波路領域内に帰還しノイズとなってしまう可能性がある。

本発明は、前記従来の問題を解決し、リップルが低減され、遠視野像の形状がガウシアン形状に近い窒化物半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ装置を、リッジ導波路部の両側方に形成された光吸収層を備えている構成とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、互いに対向する１対の共振器端面を有する共振器構造を備えた半導体レーザ装置を対象とし、基板の上に該基板側から順次積層されたｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とを含み、共振器端面と交差する方向に延びるリッジストライプ状のリッジ導波路部を有する半導体層積層体と、半導体層積層体の上にリッジ導波路部の両側面を覆うように形成された誘電体層と、半導体層積層体の上におけるリッジ導波路部の両側方に、リッジ導波路部及び共振器端面と間隔をおいて形成され、半導体等積層体と接する光吸収層と、リッジ導波路部の上に形成されたｐ側電極とを備えていることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置は、半導体層積層体の上におけるリッジ導波路部の両側方に、リッジ導波路部及び共振器端面と間隔をおいて形成された光吸収層を備えている。このため、リッジ導波路部の側方に漏れた漏れ光の強度を低減することができる。従って、半導体レーザ装置から出射される出射光の遠視野像の形状を改善することができる。また、光吸収層が共振器端面と間隔をおいて形成されているため、光吸収層が劈開の妨げとなることがない。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、導電性であり且つｐ側電極と電気的に絶縁されていることが好ましい。このような構成とすることにより、光吸収層に導電性の材料を用いた場合においても、光吸収層からのリーク電流をゼロにできる。従って、リーク電流による迷光や、信頼性の低下を生じさせることなく、実効吸収係数が高い金属等の材料を用いることが可能となる。

本発明の半導体レーザ装置は、光吸収層とｐ側電極との間に形成された絶縁層をさらに備えていてもよい。このような構成とすることにより、光吸収層の共振器方向の奥行きを大きくすることが可能となる。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、リッジ導波路部に対して線対称であってもよい。

本発明の半導体レーザ装置において、光吸収層は、共振器端面のうち、光を出射する光出射端面の近傍に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、絶縁膜を形成することなく、光吸収層とｐ側電極とを絶縁できる。

本発明の半導体レーザ装置において、光吸収層は、共振器端面のうち、光を出射する光出射端面の近傍に形成された第１の部分と、光出射端面と反対側の共振器端面の近傍に形成された第２の部分とを有していてもよい。このような構成とすることにより、光吸収層の共振器方向の奥行きを大きくすることができる。

本発明の半導体レーザ装置において、第１の部分と光出射端面との間隔と、第２の部分と光出射端面と反対側の共振器端面との間隔とは互いに等しくてもよい。この場合において、第１の部分と第２の部分とは、共振器構造における端面方向の中心線に対して線対称であってもよい。

本発明の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、共振器端面における少なくともリッジ導波路部を除く領域に形成された段差部を有していてもよい。このような構成とすることにより、半導体レーザ装置を劈開する際に、正確に劈開を行うことが可能となる。

本発明の半導体レーザ装置において、光吸収層とリッジ導波路部の中心との間隔は１０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において、光吸収層のリッジ導波路部と平行な方向の長さは、５μｍ以上であることが好ましい。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、発振波長に対する屈折率ｎ及び消衰係数ｋが、ｎ≧１及びｎ＋２ｋ≧２の条件を満たす材料により構成されていてもよい。この場合において、発振波長に対する屈折率ｎ及び消衰係数ｋが、ｎ＞２且つ０．００１＜ｋ＜２．５を満たす材料であってもよい。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、発振波長に対する消衰係数が１以上の材料から構成されていてもよい。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ及びアモルファスＳｉのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＴａＮのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。

本発明の半導体レーザ装置において光吸収層は、ｐ側電極に含まれる金属材料と同一の金属材料を含んでいてもよい。

本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、基板の上にｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体層積層体を順次結晶成長する工程と、ｐ型半導体層に共振器方向に延びるリッジ導波路部を形成する工程と、ｐ型半導体層の上に誘電体層を形成する工程と、誘電体層にリッジ導波路部の上面を露出する第１の開口部を形成すると共に、リッジ導波路部及び劈開により共振器端面となる領域を除く領域の少なくとも一部にｐ型半導体層を露出する第２の開口部を形成する工程と、第１の開口部及び第２の開口部に金属材料を埋め込むことによりｐ側電極及び光吸収層を形成する工程とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、第１の開口部及び第２の開口部に金属材料を埋め込むことによりｐ側電極及び光吸収層を形成する工程を備えている。このため、ｐ側電極と光吸収層とを同時に形成でき、工程を削減できる。

本発明に係る半導体レーザ及びその製造方法によれば、リップルが低減され、遠視野像の形状がガウシアン形状に近い窒化物半導体レーザ装置を実現できる。

リッジ導波路型の半導体レーザ装置においては、リッジ導波路部からの漏れ光によって、近視野像（ＮＦＰ）が悪化することが知られている。本願発明者らは、まず、リッジ導波路部からの漏れ光がどのように起きているのかを詳細に調べた。その結果、リッジ導波路部の微小なゆらぎ及び半導体層表面のモフォロジによってリッジ導波路部内を伝播する光が散乱されるために、漏れ光が発生することが明らかになった。また、リッジ幅が狭くなるほど散乱の影響を強く受けるため、漏れ光が増大することも明らかになった。

漏れ光はＮＦＰにおいてはリッジ導波路部の両側に存在し、ＮＦＰのピーク強度で規格化した相対強度が１×１０^-3程度になると遠視野像（ＦＦＰ）のリップルが顕著に現れることが明らかになった。逆に漏れ光の相対強度が５×１０^-4以下になるとＦＦＰのリップルはかなり低減され、相対強度が１×１０^-4以下になると、ＦＦＰにリップルは完全に認められなくなり、良好なＦＦＰ形状を実現できることが明らかになった。

窒化物半導体レーザ装置のリッジ幅は一般に１μｍ〜２μｍ程度と比較的狭い。このため、窒化物半導体レーザ装置は、漏れ光が生じやすい。リッジ幅を広げることで、ＦＦＰ形状の改善が期待されるが、閾値電流、キンク及び拡がり角等の他の特性の悪化を招くおそれがあり、リッジ幅の変更は容易ではない。また、窒化物半導体レーザ装置においては、自発分極と歪みによるピエゾ効果によるバンドベンディング、高い注入キャリア密度によるバンドシュリンク及び発熱による発振波長の長波長シフト等の現象が生じる。これにより、リッジ導波路部における発振波長が、周辺領域の吸収端の波長よりも長波長となることが多い。このため、漏れ出た光が吸収されることなく、リッジ導波路部の外を伝播する迷光となってしまう。この迷光は、最終的に光出射端面から出射され、ＦＦＰ形状にリップルとして現れる。

このように窒化物半導体レーザ装置においては、構造的に漏れ光の発生を防止することが困難である。従って、ＮＦＰ及びＦＦＰを改善するためには、光出射端面からの漏れ光の放出を何らかの方法で防ぐ必要がある。本願発明者らは、検討の結果、リッジ導波路部以外の領域において半導体層の上に光吸収の大きな材料を光吸収層として形成することで、漏れ光を効果的に吸収できることを見いだした。

リッジ導波路部からの漏れ光はリッジ導波路部に対してほぼ対称に発生しうるため、光吸収層はリッジ導波路部の両側に対称に形成することが効果的であると考えられる。

また、光吸収層は光出射端面の近傍に形成することが最も効果的であることが明らかになった。これは、漏れ光が、共振器方向に主に伝播し、最終的に光出射端面から放出されることと、共振器方向の光密度分布が光出射端面の近傍において最も高くなることとが原因であると考えられる。

以下に、以上の検討結果に基づいて実現した、ＦＦＰの形状が改善された半導体レーザ装置について具体的に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線、Ｉｃ−Ｉｃ線及びＩｄ−Ｉｄ線における断面構成を示している。

本実施形態の半導体レーザ装置は、劈開により形成され、互いに対向する１対の共振器端面を有する共振器構造を備えている。共振器構造は、基板の上に形成され、共振器方向に延びるストライプ状のリッジ導波路部１２ａを有する半導体層積層体１２と、共振器端面に形成された多層誘電体反射膜とにより形成されている。また、本実施形態の半導体レーザ装置は、半導体層積層体１２の上におけるリッジ導波路部１２ａの両側方に形成された、光吸収層１７を備えている。これにより、リッジ導波路部１２ａからの漏れ光を吸収することができ、ＦＦＰの形状を改善することができる。

具体的に、半導体層積層体１２は、ｎ型のＧａＮからなる基板１０の上に、順次形成されたｎ型半導体層１３と活性層１４とｐ型半導体層１５とを有している。半導体層積層体１２はレーザ共振器が形成できればどのようなものでもよいが、例えば以下のような構成とすればよい。

ｎ型半導体層１３は、膜厚が１μｍのｎ型ＧａＮ層３１と、膜厚が２．５μｍのｎ−Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎからなるｎ型クラッド層３２と、膜厚が１５０ｎｍのｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）からなるｎ型ガイド層３３を有している。活性層１４は、膜厚が３ｎｍのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなるウェル層と、膜厚が７．５ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなるバリア層との三重量子井戸からなる。ｐ型半導体層１５は、膜厚が１２０ｎｍのｐ型のＧａＮ（ｐ−ＧａＮ）からなる光ガイド層５１と、膜厚が０．５μｍのｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型クラッド層５２と、膜厚が１００ｎｍのｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層５３とを有している。

半導体層積層体１２と基板１０との間にはバッファ層が形成されていてもよく、バッファ層は例えば膜厚が２００ｎｍのｎ−ＧａＮとすればよい。半導体層積層体１２は有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等により形成すればよい。ｎ型の層を形成する際には、ドナー不純物としてシリコン（Ｓｉ）を５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度ドーピングすればよい。ｐ型の層を形成する際には、アクセプタ不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を１×１０²⁰ｃｍ^-3程度ドーピングすればよい。

半導体層積層体１２には、共振器方向に延びるリッジ導波路部１２ａが形成されている。リッジ導波路部１２ａは、ｐ型クラッド層５２の一部及びｐ型コンタクト層５３をドライエッチング等により選択的に除去することにより形成すればよい。リッジ導波路部１２ａの側面及びリッジ導波路部１２ａを除くｐ型クラッド層５２の上には、膜厚が２００ｎｍ酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる誘電体層１６が形成されている。

誘電体層１６は、リッジ導波路部１２ａの両側方の所定の位置にｐ型クラッド層５２を露出する開口部を有し、開口部を埋めるようにアモルファスシリコンからなる光吸収層１７が形成されている。光吸収層１７の位置、大きさ及び材質等については後で詳しく説明する。

リッジ導波路部１２ａの上には、ｐ型コンタクト層５３を介在させてｐ側電極２１が形成されている。基板１０の半導体層積層体１２と反対側の面（裏面）には、ｎ側電極２２が形成されている。誘電体層１６の上には、ｐ側電極パッド２３が形成されている。ｐ側電極パッド２３は、リッジ導波路部１２ａを覆うように形成されており、ｐ側電極２１と電気的に接続されている。

ｐ側電極２１は例えばパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層膜とすればよい。ｐ側電極２１を形成する際には、基板を７０℃〜１００℃に過熱した状態で電子線蒸着を行い、その後４００℃程度で熱処理を行うことが好ましい。このようにすれば、ｐ側電極２１のコンタクト抵抗を低減すると共に、密着性を向上させることができる。ｐ側電極パッド２３及びｎ側電極２２は、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）との積層膜とすればよい。

ｐ側電極パッド２３は、光吸収層１７と間隔をおいて形成されており、ｐ側電極２１と光吸収層１７とは電気的に絶縁されている。このため、ｐ型クラッド層５２と接して形成された光吸収層１７を介して半導体層積層体１２にリーク電流が流れることはない。

半導体層積層体１２のレーザ光が出射する光出射端面１２Ａには、反射率５０％の多層誘電体反射膜（図示せず）が形成されており、光出射端面１２Ａと反対側の後端面１２Ｂには反射率９５％の多層誘電体反射膜（図示せず）が形成されている。これにより、半導体層積層体１２はレーザ共振器として機能する。

以下に、光吸収層１７の形成位置及び大きさについてさらに詳細に説明する。図２は、光吸収層１７とリッジ導波路部１２ａとの平面的な位置関係を示している。リッジ導波路部１２ａからの漏れ光を吸収するという観点からは、光吸収層１７をリッジ導波路部１２ａを除いてｐ型クラッド層上の全面に形成すればよい。しかし、実際には光吸収層１７を形成する領域には種々の制約が課せられる。

光吸収層１７は、原理的には光出射端面１２Ａに接して形成することが最も効果的であると考えられる。しかし、素子の劈開工程前に劈開線をまたいで光吸収層１７を形成すると、劈開時の妨げとなり劈開端面にクラックや段差が発生し、ＦＦＰ形状の改善効果が低下してしまうことがわかった。光吸収層１７は、光吸収特性に優れた材料により形成する必要がある。このため、後で述べるように金属材料を用いることが好ましい。一般的な蒸着により形成した金属層は、アモルファス成分が多いため、延展性があり劈開性がない。このため、素子の劈開部をまたいで金属層を形成すると、劈開時に妨げになり劈開端面にクラック及び段差が発生したり、金属層のみが劈開線から逸脱した位置で分離したりする。これにより、かえってＦＦＰの形状が悪化してしまう。以上のことから、光吸収層１７は、光出射端面と間隔をおいて形成する必要がある。

また、光吸収層１７とリッジ導波路部１２ａとが接していると、リッジ導波路部１２ａ内を伝搬する主ビームが吸収されてしまう。このため、光吸収層１７はリッジ導波路部１２ａと間隔をおいて形成する必要がある。しかし、光吸収層１７とリッジ導波路部１２ａとの間隔が大きすぎると、ＦＦＰの形状に影響を与える漏れ光を吸収することができなくなるおそれがある。

図３（ａ）及び（ｂ）は、リッジ導波路部の幅が１μｍの従来の半導体レーザ装置において得られた水平ＦＦＰの強度分布と、水平ＦＦＰの強度分布から推定したＮＦＰの強度分布とをそれぞれ示している。ＮＦＰの推定はＦＦＰ分布を逆フーリエ変換することにより行った。ＦＦＰ強度分布においては、光の位相情報が消失しているためＮＦＰの正確な強度分布を求めることはできない。つまり、ＮＦＰの左右分布の非対称性については位相情報がないため、見積もることは不可能である。しかし、ＮＦＰの観察結果との比較から推定ＮＦＰの位置及び相対強度は概ね一致することが確認できている。

図３（ｂ）に示すように、リッジ導波路部の中心から２μｍ程度の所までは、主ビームが伝搬しているため、図２に示すリッジ導波路部の中心と光吸収層１７との距離ｄ１を２μｍ未満とすることは好ましくない。また、先に述べたように、漏れ光の相対強度が１×１０^-4以下となるとＦＦＰの形状への影響はほとんど生じない。従って、図２に示すリッジ導波路部１２ａの中心から光吸収層１７までの距離ｄ１は１０μｍ以下とすることが好ましい。リッジ導波路部の中心から２μｍ〜１０μｍ程度の領域において最も大きいと考えられるため、ｄ１を２μｍ〜３μｍ程度とすることがさらに好ましい。

次に、図２に示す光吸収層１７の共振器方向の奥行きｄ２について検討する。ｄ２は少なくとも、漏れ光の吸収効果が十分発揮される長さとする必要がある。図４は、吸収係数が異なる光吸収層１７における吸収率とｄ２との関係を示している。

図４に示すように、実効吸収係数αeが１００ｃｍ^-1の場合、漏れ光を１／２に低減するためには、ｄ２を７０μｍ程度とする必要がある。また、１／１０に低減するためにはｄ２を２５０μｍ程度としなければならない。一方、実効吸収係数αeが１０００ｃｍ^-1の場合には、漏れ光を１／２にするためには、ｄ２を７μｍ程度とし、１／１０にするためにはｄ２を２５μｍ程度としなければならない。なお、実効吸収係数αeとは、ｐ型クラッド層５２の上に形成された光吸収層１７の下部における光の実効的な吸収係数である。

但し、実際には、共振器内を伝播する漏れ光は光出射端面及び後端面において反射されながら、光吸収層１７が形成された領域を多数回通過する。光出射端面における反射率が５０％、後端面における反射率が９５％の場合には、平均３回程度光吸収層が形成された領域を通過すると見積もられ。このため、実効吸収係数αeが１００ｃｍ^-1の場合でも、ｄ２が２５μｍ程度あれば漏れ光を１／２に低減できると考えられる。実効吸収係数αeが１０００ｃｍ^-1の場合には、さらにｄ２を小さくすることが可能である。

図５は、漏れ光を１／２に低減する場合及び１／１０に低減する場合のｄ２と実行吸収係数αeとの関係を示している。このように、ｄ２と実行吸収係数αeの逆数とは比例関係にある。従って、最小限のｄ２の値は、
ｄ２＝ｃ×（１／αe）
により求めることができる。但し、ｃは漏れ光の低減率によって決まる係数である。ｃの値の一例を挙げると、漏れ光を１／２に低減する場合には約７０００であり、１／１０に低減する場合には約２３０００である。但し、本実施形態におけるｐ型クラッド層のＡｌ組成が３％の条件においての値であり、ｐ型クラッド層５２のＡｌ組成等によりｃの値は変動する。ｃの値はｐ型クラッド層のＡｌ組成が高くなると小さくなる傾向にある。

以上のことから、光吸収層１７の共振器方向の奥行きｄ２は、光吸収層１７の材質及び必要とする漏れ光の低減の程度により変更する必要があるが、２μｍ〜５０μｍ程度とすることが好ましい。

窒化物半導体レーザの標準的な共振器長は４００μｍ〜８００μｍ程度である。従って、ｄ２の値が２μｍ〜５０μｍ程度の範囲であれば、光吸収層１７とｐ側電極パッド２３とを空間的に離間させることが可能である。従って、光吸収層１７が導電性である場合にも、光吸収層１７とｐ側電極パッド２３とを、絶縁膜等を設けることなく絶縁することができる。その結果、簡便なプロセスでＦＦＰ形状の改善を実現できる。ただし、共振器長が長く光吸収層１７とｐ側電極パッド２３とを空間的に離間させることができる場合には、ｄ２をさらに大きくしても何ら問題はない。

図２に示す光吸収層１７の端面方向の幅ｄ３は、図３に示すように１０μｍ程度あれば、漏れ光の存在する主な部分がカバーできる。このため、１０μｍ以上とすることが好ましい。また、共振器方向の二次劈開時にも、一次劈開時と同様に、劈開部分には光吸収層１７が形成されていない方が、劈開精度が向上する。従って、光吸収層１７の端面方向の幅ｄ３は、共振器の側面に到達しない幅とすることが好ましい。

次に、光吸収層１７の材質について検討する。先に説明したように、光吸収層１７の下部における実効吸収係数αeは１００ｃｍ^-1以上とすることが好ましい。光吸収層１７は漏れ光が伝播する層の上部に形成されており、漏れ光の光分布とは空間的なずれがあるため、吸収の効果は限定的にならざるを得ない。しかし、光吸収層の実効吸収係数αeは、光吸収層の屈折率ｎ、消衰係数ｋ及びｐ型クラッド層の材質から大まかに見積もることができる。

図６は、波長４０５ｎｍにおける屈折率ｎと消衰係数ｋと実効吸収係数αeとの関係を求めた結果を示している。実効吸収係数αeは、ｐ型クラッド層の上に形成された光吸収層の下部における光の実効的な吸収を示す指標である。従って、光吸収層による光の吸収特性及び光吸収層とｐ型クラッド層との屈折率の違い等によって決定される。図６に示すように大まかには、屈折率ｎが２程度よりも大きく、消衰係数ｋが０．００１以上の材料、屈折率ｎが１〜２程度であり、消衰係数ｋが１〜４程度の材料を用いることができる。さらに詳細には、ｎ≧１且つｎ＋２ｋ≧２を満たす材料が好ましく、ｎ＞２且つ０．００１＜ｋ＜２．５を満たす材料がさらに好ましい。但し、この場合、ｐ型クラッド層のＡｌ組成は３％としている。Ａｌ組成が増加すると、実効的吸収係数αeの値は大きくなる傾向にある。

図７には、主な材料の屈折率ｎと消衰係数ｋとの値を示す。先に述べた条件を満たす材料である銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ジルコン（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）若しくはタンタル（Ｔａ）等の金属材料、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化ジルコン（ＺｒＮ）、窒化にオブ（ＮｂＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）若しくは窒化モリブデン（ＭｏＮ）等の金属窒化物又はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）等を用いることが好ましい。また、これらの材料の積層膜又は合金等を用いることも可能である。なお、光吸収層の共振器方向の奥行きｄ２を大きく確保できれば、この範囲を外れる銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の材料を用いることも可能である。

図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の半導体レーザ装置における水平ＦＦＰの強度分布と、ＦＦＰから推定したＮＦＰの強度分布を示す。図８は、光吸収層１７がアモルファスＳｉからなり、リッジ導波路部１２ａの中心との距離ｄ１が２μｍ、共振器方向の奥行きｄ２が１０μｍ、端面方向の幅ｄ３が５０μｍの場合について測定した結果を示している。図３に示した光吸収層を形成していない場合と比べ、リップルが大幅に低減され、ガウシアン形状に近いＦＦＰの形状が得られている。

光吸収層１７の形状が平面方形状である例を示したが、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように他の形状であってもよい。但し、漏れ光の分布及び共振器方向の光強度分布を考慮すると、光出射端面の近傍ほど端面方向の幅が大きく、リッジ導波路部の近傍ほど共振器方向の奥行きが大きい形状であることが好ましい。

本実施形態の半導体レーザ装置は、光吸収層１７を形成することを除けば、通常の半導体レーザ装置の形成方法と同じである。まず、基板１０の上に、常法に従ってい半導体層積層体１２を形成する。次に、ｐ型クラッド層５２及びｐ型コンタクト層５３を選択的にエッチングしてリッジ導波路部１２ａを形成する。次に、リッジ導波路部１２ａが形成された半導体層積層体１２の上に誘電体層１６を形成した後、リッジ導波路部１２ａの上面を露出する第１の開口部を形成する。次に、第１の開口部にＰｄとＰｔとからなるｐ側電極を形成する。次に、誘電体層１６の所定の領域にｐ型クラッド層５２を露出する第２の開口部を形成する。第２の開口部の形成は、例えばフォトリソグラフィーとバッファードフッ酸（ＢＨＦ）とにより行えばよい。次に、第２の開口部を埋めるようにシリコン又は金属等の材料を蒸着し、光吸収層１７を形成すればよい。この後、所定の位置にｐ側電極パッドを形成し、基板１０を薄膜化した後、基板裏面にｎ側電極を形成する。次に、基板裏面からのブレーキングにより一次劈開を行い共振器端面を形成した後、共振器端面に多層誘電体反射膜を形成する。次に、共振器方向に二次劈開を行うことにより共振器構造を有する半導体レーザ装置が得られる。得られた半導体レーザ装置は、パッケージに実装し配線を行う。

また、以下に示すような工程により光吸収層１７を形成することにより、工程数を低減することも可能である。誘電体層１６を半導体層積層体１２の上に形成した後、リッジ導波路部１２ａの上面及び光吸収層１７を形成する部分に選択的に開口部を形成する。次に、電子線蒸着法等により、開口部にＰｄ及びＰｔを順次形成する。これにより、ｐ側電極２１及び光吸収層１７が同時に形成される。Ｐｄ及びＰｔの厚さは、例えば４０ｎｍ及び３５ｎｍとすればよい。また、ＰｄとＰｔとの積層膜に代えて他の材料を用いてもよい。

このようにすれば、ｐ側電極と光吸収層とを同時に形成できるため、工程数を削減できる。ｐ側電極と光吸収層とにＰｄとＰｔとの積層体を用いた場合において、光吸収層のリッジ中心からの距離ｄ１を２μｍ、共振器方向の奥行きｄ２を２５μｍ、端面方向の幅ｄ３を５０μｍとすると、アモルファスシリコンを用いて共振器方向の奥行きｄ２を１０μｍとした場合とほぼ同等の漏れ光の吸収効果が得られた。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図１０（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線、Ｘｃ−Ｘｃ線及びＸｄ−Ｘｄ線における断面構成を示している。図１０において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

本実施形態の半導体レーザ装置は、光吸収層１７が光出射端面１２Ａ側に形成された第１の部分１７Ａと、後端面１２Ｂ側に形成された第２の部分１７Ｂと有している。

光吸収層の漏れ光を吸収する効果は、光吸収層の共振器方向の長さに依存する。このため、後端面側にも光吸収層を形成することにより、光吸収の効果を約２倍に向上させることができる。

半導体レーザ装置を製造する工程の観点からみた場合、第１の部分１７Ａと第２の部分１７Ｂとは同一の形状であり且つ第１の部分１７Ａと光出射端面との間隔及び第２の部分１７Ｂと後端面との間隔が互いに等しいことが好ましい。つまり、半導体レーザ装置を製造する工程において、第１の部分１７Ａと第２の部分１７Ｂとが一次劈開線に対して対称となるようにすることが好ましい。

具体的には図１１に示すように、基板上に共振器方向に連続して形成された２つのレーザ共振器において、第１の部分１７Ａと第２の部分１７Ｂとを一次劈開線６１に対して線対称となるようにする。劈開線に対して非対称な構造が存在すると、劈開ずれ、クラック及び段差等の劈開不良が起こりやすくなる。劈開不良はＦＦＰ形状を劣化させる原因となる。第１の部分１７Ａと第２の部分１７Ｂとを一次劈開線に対して対象とすることにより、劈開不良の発生を低減することができる。これによりＦＦＰ形状を改善することができると共に、歩留まりも向上させることができる。この場合、劈開により得られた半導体レーザ装置においては、第１の部分１７Ａと第２の部分１７Ｂとが、共振器構造における端面方向の中心線に対して線対称となる。

また、さらに劈開を容易とするために、図１２に示すように劈開ガイド溝６２を形成してもよい。劈開ガイド溝６２は、どのような形状でもよいが、先端がＶ字型となっていた方が正確にガイドできる。また、深さを３μ程度とし、ｎ型クラッド層３２又はｎ型ＧａＮ層３１まで達していれば、劈開を正確にガイドすることができる。

劈開ガイド溝を形成した場合には、図１３に示すように劈開ガイド溝の痕跡である段差部６２ａが光出射端面１２Ａ及び後端面１２Ｂに生じる。なお、第１の実施形態に示した、光吸収層１７が光出射端面１２Ａ側にのみ形成されている場合にも劈開ガイド溝を形成すれば、劈開不良を低減することができる。

本実施形態においても、光吸収層１７とｐ側電極２１とを同じ材料により形成すれば工程を削減することが可能となる。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図１４（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のXIVｂ−XIVｂ線、XIVｃ−XIVｃ線及びXIVｄ−XIVｄ線における断面構成を示している。図１４において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

本実施形態の半導体レーザ装置は、光吸収層１７が誘電体層１６に覆われている。従って、光吸収層１７の共振器方向の奥行きが大きい場合にもｐ側電極パッドと光吸収層１７との電気的絶縁を確保することができる。このため、実効吸収係数αeが小さい材料を用いて光吸収層１７を形成することが可能となる。例えば、実効吸収係数αeが１００ｃｍ^-1の材料を用いた場合においても、光吸収層１７の共振器方向の奥行きを３００μｍ以上とすれば、漏れ光の強度を１／１０以下にすることが可能である。

また、共振器長が短い半導体レーザ装置においても、共振器方向の奥行きを大きく確保することができる。例えば、共振器長が４００μｍの場合、端面近傍の５μｍを除いた３９０μｍの奥行きの光吸収層を形成することができる。

本実施形態の半導体レーザ装置は以下のようにして形成すればよい。第１の実施形態と同様にして、リッジ導波路部１２ａを形成する。次に、リッジ導波路部１２ａの両側方に膜厚が２００ｎｍのアモルファスシリコンからなる光吸収層１７を選択的に形成する。続いて、基板１０上の全面に膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成した後、ＳｉＯ₂膜におけるリッジ導波路部１２ａの上に形成された部分を選択的に除去して誘電体層１６を形成する。続いて、リッジ導波路部１２ａの上にｐ側電極２１を形成する。次に、ｐ側電極パッド２３及びｎ側電極２２等を形成した後、劈開及び反射膜の形成等を行う。

このようにすれば、リッジ導波路部１２ａを形成した直後に光吸収層を形成するため、電流狭窄及び光閉じ込め用のＳｉＯ₂誘電体層１６だけで光吸収層１７とｐ側電極２１及びｐ側電極パッド２３との絶縁を確保することができる。従って、第１の実施形態と同じ工程数で、より漏れ光の吸収効果が高い光吸収層を形成できる。これにより、ＦＦＰ形状のより良好な窒化物半導体レーザを実現できる。なお、本実施形態においても、劈開ガイド溝を設けることが可能である。

（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。図１５（ａ）〜（ｄ）は、第４の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のXVｂ−XVｂ線、XVｃ−XVｃ線及びXVｄ−XVｄ線における断面構成を示している。図１５において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

本実施形態の半導体レーザ装置は、光吸収層１７とｐ側電極パッド２３との間に形成された絶縁層１８を備えている。絶縁層１８を設けることにより、光吸収層１７の共振器方向の奥行きが大きい場合にもｐ側電極パッド２３と光吸収層１７との電気的絶縁性を確保できる。また、絶縁層１８を設けることにより、ｐ側電極２１を形成し熱処理を行った後、光吸収層１７を形成することが可能となる。これにより、ｐ側電極２１及び光吸収層１７の材料選択の幅が広がるという効果も得られる。

本実施形態の半導体レーザ装置は以下のようにして形成すればよい。第１の実施形態と同様にしてｐ側電極２１及び光吸収層１７を形成した後、基板１０上の全面に膜厚が５０ｎｍのＳｉＯ₂からなる絶縁層１８を形成する。次に、フォトリソグラフィーとＢＨＦによるウエットエッチングとを用いて、絶縁層１８にｐ側電極２１を露出する開口部を形成する。次に、ｐ側電極パッド２３及びｎ側電極２２等を形成した後、劈開及び反射膜の形成等を行う。なお、絶縁層１８は、ＳｉＯ₂に代えて他の材料を用いて形成してもよい。また、ｐ側電極２１と光吸収層１７とを同一の材料により形成すれば、工程数を削減することが可能となる。さらに、劈開ガイド溝を設けることも可能である。

本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、リップルが低減され、遠視野像の形状がガウシアン形状に近い窒化物半導体レーザ装置を実現でき、窒化物を用いた青色から紫外域の半導体レーザ装置及びその製造方法等として有用であり、特に、高密度光ディスクの書き込み及び読み出し光源となる窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法等として有用である。

（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面図であり、（ｄ）は（ａ）のＩｄ−Ｉｄ線における断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光吸収層の部分を拡大して示す平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は光吸収層を備えていない半導体レーザ装置の特性を示し、（ａ）は水平遠視野像の測定結果であり、（ｂ）は水平遠視野像から求めた近視野像のシミュレーション結果である。 光吸収層の共振器方向の奥行きと漏れ光の吸収率との関係を示すグラフである。 光吸収層の実効吸収率と共振器方向の奥行きとの関係を示すグラフである。 光吸収層の実効吸収率を屈折率と消衰係数とにより算出した結果を示すグラフである。 種々の材料における屈折率及び消衰係数の一覧である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の特性を示し、（ａ）は水平遠視野像の測定結果であり、（ｂ）は水平遠視野像から求めた近視野像のシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光吸収層の変形例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＸｃ−Ｘｃ線における断面図であり、（ｄ）は（ａ）のＸｄ−Ｘｄ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置における一次劈開前の状態を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例における一次劈開前の状態を示す平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は共振器端面における断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIVｂ−XIVｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のXIVｃ−XIVｃ線における断面図であり、（ｄ）は（ａ）のXIVｄ−XIVｄ線における断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXVｂ−XVｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のXVｃ−XVｃ線における断面図であり、（ｄ）は（ａ）のXVｄ−XVｄ線における断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 半導体層積層体
１２Ａ 光出射端面
１２Ｂ 後端面
１２ａ リッジ導波路部
１３ ｎ型半導体層
１４ 活性層
１５ ｐ型半導体層
１６ 誘電体層
１７ 光吸収層
１７Ａ 第１の部分
１７Ｂ 第２の部分
１８ 絶縁層
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ ｐ側電極パッド
３１ ｎ型ＧａＮ層
３２ ｎ型クラッド層
３３ ｎ型ガイド層
５１ 光ガイド層
５２ ｐ型クラッド層
５３ ｐ型コンタクト層
６１ 一次劈開線
６２ 劈開ガイド溝
６２ａ 段差部

Claims (17)

1. 互いに対向する１対の共振器端面を有する共振器構造を備えた半導体レーザ装置であって、
   基板の上に該基板側から順次積層されたｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とを含み、前記共振器端面と交差する方向に延びるリッジストライプ状のリッジ導波路部を有する半導体層積層体と、
   前記半導体層積層体の上に前記リッジ導波路部の両側面を覆うように形成された誘電体層と、
   前記半導体層積層体の上における前記リッジ導波路部の両側方に、前記リッジ導波路部及び前記共振器端面と間隔をおいて形成された光吸収層と、
   前記リッジ導波路部の上に形成されたｐ側電極とを備えていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記光吸収層は、導電性であり且つ前記ｐ側電極と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記光吸収層と前記ｐ側電極との間に形成された絶縁層をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記光吸収層は、前記リッジ導波路部に対して線対称であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記光吸収層は、前記共振器端面のうち、光を出射する光出射端面の近傍に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記光吸収層は、前記共振器端面のうち、光を出射する光出射端面の近傍に形成された第１の部分と、前記光出射端面と反対側の共振器端面の近傍に形成された第２の部分とを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記第１の部分と前記光出射端面との間隔と、前記第２の部分と前記光出射端面と反対側の共振器端面との間隔とは互いに等しいことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記第１の部分と前記第２の部分とは、前記共振器構造における端面方向の中心線に対して線対称であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記半導体層積層体は、前記共振器端面における少なくとも前記リッジ導波路部を除く領域に形成された段差部を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記光吸収層と前記リッジ導波路部の中心との間隔は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記光吸収層の前記リッジ導波路部と平行な方向の長さは、５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記光吸収層は、発振波長に対する屈折率ｎ及び消衰係数ｋが、ｎ≧１及びｎ＋２ｋ≧２の条件を満たす材料からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記光吸収層は、発振波長に対する屈折率ｎ及び消衰係数ｋが、ｎ＞２且つ０．００１＜ｋ＜２．５を満たす材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記光吸収層は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ及びアモルファスＳｉのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記光吸収層は、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ及びＭｏＮのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
16. 前記光吸収層は、前記ｐ側電極に含まれる金属材料と同一の金属材料を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
17. 基板の上にｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体層積層体を順次結晶成長する工程と、
    前記ｐ型半導体層に共振器方向に延びるリッジ導波路部を形成する工程と、
    前記ｐ型半導体層の上に誘電体層を形成する工程と、
    前記誘電体層に前記リッジ導波路部の上面を露出する第１の開口部を形成すると共に、前記リッジ導波路部及び劈開により共振器端面となる領域を除く領域の少なくとも一部に前記ｐ型半導体層を露出する第２の開口部を形成する工程と、
    前記第１の開口部及び第２の開口部に金属材料を埋め込むことによりｐ側電極及び光吸収層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。