JP2009200099A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流狭窄層を有する垂直共振器型面発光レーザである半導体レーザ素子において、安定したレーザ発振が可能な半導体レーザ素子を提供すること。
【解決手段】 半導体レーザ素子は、基板１００と、基板１００の一主面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａと、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａ上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層１０４と、活性層１０４に隣接して形成された化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る電流狭窄層１０６と、活性層１０４及び電流狭窄層１０６の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂと、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、特に垂直共振器型面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)としての半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンド・ギャップ（ワイド・バンド・ギャップ）を持つため、青色光、青紫色光、紫色光の発光ダイオード、レーザダイオード、フォトディテクターなどの光素子用材料として利用されている。また、高周波、大電力に対応でき、高信頼性であることから、高性能な電子素子用材料として注目されている。特に高度情報化社会において、情報記録媒体である光ディスクの高密度化に対応した青紫色半導体レーザが注目されている。

現在、実用化されている青紫色半導体レーザとしては、サファイア基板上に成長した窒化ガリウム系化合物半導体層を劈開、またはドライエッチング法により、共振面を形成したファブリ・ペロ型半導体レーザが用いられている。

しかしながら、サファイアは劈開性がほとんどないため、基板自身の劈開性を利用し、その劈開面を窒化ガリウム系化合物半導体の共振面とすることは難しい。

また、ドライエッチング法は、サファイア基板の成長面に対して垂直性の高い面を形成し難く、良好な共振面ができず、安定したレーザ発振が難しい。また、窒化ガリウム系化合物半導体がドライエッチング用のイオンによるダメージを受けて欠陥が発生し、共振面での反射率が低下し、発振閾値を高くする。更に、共振面で光を吸収し、発熱が生じ、半導体レーザ素子の劣化をもたらすという問題点がある。

また、近年、光インターコネクション、並列光情報処理、光ディスクなどに応用される、赤色光から赤外光の波長領域を光源波長とする垂直共振器型面発光レーザの研究が盛んに行われている。面発光レーザは、レーザ発振に必要な共振器構造が、屈折率の異なる２つの光学媒質層を、λ／４ｎ（λ：活性層（発光層）の発光波長、ｎ：光学媒質層の屈折率）の膜厚で交互に積層したブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg reflector）を用いたものである。ブラッグ反射鏡は、２つの光学媒質の屈折率の違いを利用した光反射層として機能する。ブラッグ反射鏡を発光層の有する半導体層の表面と裏面に形成することにより、共振器構造が形成され、基板または半導体層の主面に対して垂直方向にレーザ発振する。

さらに、垂直共振器型面発光レーザにおいては、発光領域である活性層に効率よく電流注入するために、電流狭窄構造が設けられている。電流狭窄構造は、活性層への電流注入状態に大きく関与するため、レーザ発振した光特性に影響を与える。従来のガリウム砒素系化合物半導体からなる垂直共振器型面発光レーザにおいて、電流狭窄構造は選択酸化法によって形成された酸化アルミニウム層を電流狭窄層として用いたものがある。これは、活性層に隣接するＡｌＡｓ層を水蒸気雰囲気のもとにおいて、選択的に酸化して酸化アルミニウム層を形成し、電流狭窄層としている。しかしながら、選択酸化が可能なのは、ＡｌＡｓ、またはＡｌＡｓを含有する半導体材料に限られており、窒化ガリウム系化合物半導体などの化学的に安定な半導体材料には適用できない。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体からなる垂直共振器型面発光レーザの断面図を図３に示す。ｎ型のＧａＮ基板３００上に、ｎ型ＡｌＮ層／ＧａＮ層多層積層構造のブラッグ反射鏡３０２、ｎ型ＧａＮクラッド層３０３、ＩｎＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層多層積層構造で量子井戸構造の活性層３０４、ｐ型ＧａＮクラッド層３０５、ＳｉＯ₂から成る電流狭窄層３０６、選択成長ＧａＮクラッド層３０７、ｐ型ＡｌＮ層／ＧａＮ層多層積層構造のブラッグ反射鏡３０８、及びｐ型電極３１０が、順次積層されている。

また、エッチングを行うことによって露出した、ｎ型ＧａＮ基板３００の上面の一部に、ｎ型電極３１１がある。
特開２０００−１１４６５７号公報

上記従来の垂直共振器型面発光レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板３００上に上記の各種半導体層を積層するときに、ｐ型ＧａＮクラッド層３０５からＧａＮを横方向成長させ、電流狭窄層３０６上に選択成長ＧａＮクラッド層３０７を積層する。各クラッド層及び活性層３０４は、共振器構造を形成するために、厚さは数波長分以下（約５００ｎｍ以下）にすることが望まれる。電流狭窄層３０６を覆って選択成長ＧａＮクラッド層３０７を成長させるには、横方向には数十μｍ成長させなくてはならず、また、選択成長ＧａＮクラッド層３０７は薄く成長させなければならない。しかしながら、このような選択成長は難しい。

更に、狭窄注入された電流はｐ型ＧａＮクラッド層３０５で拡散するため、活性層３０４の発光領域が一意的に定まらず、発振した光の横モード制御が困難になる。

従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、電流狭窄層を有する垂直共振器型面発光レーザである半導体レーザ素子において、安定したレーザ発振が可能な半導体レーザ素子を提供することである。

本発明の半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の一主面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、前記活性層に隣接して形成された化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る電流狭窄層と、前記活性層及び電流狭窄層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を有するものである。

また、本発明の半導体レーザ素子は好ましくは、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第１のブラッグ反射鏡を含み、前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第２のブラッグ反射鏡を含む。

また、本発明の半導体レーザ素子は好ましくは、前記電流狭窄層は前記活性層を囲むように形成されている。

また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第１の基板上に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい電流狭窄層を順次積層する工程と、第２の基板上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい活性層を順次積層する工程と、前記電流狭窄層と前記活性層とが隣接するようにそれらを嵌め合わせる工程とを具備するものである。

本発明の半導体レーザ素子は、基板と、基板の一主面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、活性層に隣接して形成された化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る電流狭窄層と、活性層及び電流狭窄層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を有することから、注入電流は第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層から高抵抗の電流狭窄層を避けて活性層に集中的に注入され、その結果レーザ発振が可能となる。

また、活性層に隣接して高抵抗の電流狭窄層が存在するため、活性層の発光領域は活性層の大きさによって一意的に決まるため、横モードを抑制したレーザ発振ができる。

また、１）電流狭窄層上に活性層が形成されないようにマスクを形成して電流狭窄層に隣接する部位に活性層を形成する方法、２）第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び電流狭窄層を第１の基板上に形成し、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び活性層を第２の基板上に形成して、電流狭窄層と活性層を嵌め込むように組み合わせて全体を積層構造とする方法等、を用いることにより、横方向成長をしなくともｐ型クラッド層を含む第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することができる。その結果、薄いｐ型クラッド層を容易に形成することができる。従って、電流狭窄層を有する垂直共振器型面発光レーザである半導体レーザ素子において、安定したレーザ発振が可能となる。

また、本発明の半導体レーザ素子は好ましくは、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第１のブラッグ反射鏡を含み、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第２のブラッグ反射鏡を含むことから、第１のブラッグ反射鏡と第２のブラッグ反射鏡によって垂直共振器が容易に形成される。

また、本発明の半導体レーザ素子は好ましくは、電流狭窄層は活性層を囲むように形成されていることから、電流狭窄層が効率的にレーザ共振の可能な空洞共振器を構成する。

また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第１の基板上に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい電流狭窄層を順次積層する工程と、第２の基板上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい活性層を順次積層する工程と、電流狭窄層と活性層とが隣接するようにそれらを嵌め合わせる工程とを具備することから、横方向成長をしなくともｐ型クラッド層を含む第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することができ、その結果、薄いｐ型クラッド層を容易に形成することができる。従って、電流狭窄層を有する垂直共振器型面発光レーザである半導体レーザ素子であって、安定したレーザ発振が可能な半導体レーザ素子を製造することができる。

本実施の形態の半導体レーザ素子について以下に詳細に説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の半導体レーザ素子の１例（第１例）を示すものであり、半導体レーザ素子の各製造工程における断面図である。

本実施の形態の半導体レーザ素子は、基板１００の一主面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａと、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａ上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層１０４と、活性層１０４に隣接して形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る電流狭窄層１０６と、活性層１０４及び電流狭窄層１０６の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂと、を有する。

また、本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法は、第１の基板上に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａ及び第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａよりも平面視寸法が小さい電流狭窄層１０６を順次積層する工程と、第２の基板上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂよりも平面視寸法が小さい活性層１０４を順次積層する工程と、電流狭窄層１０６と活性層１０４とが隣接するようにそれらを嵌め合わせる工程とを具備する。

電流狭窄層１０６と活性層１０４は、それらが嵌め合わされて１つの層を成すように互いに相補的な形状を有している。

第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａは、例えば、化学式Ｇａ_1-x1-y1Ｉｎ_y1Ａｌ_x1Ｎ（ただし、０≦ｘ１＋ｙ１≦１，ｘ１≧０，ｙ１≧０とする）で表される。活性層１０４は、例えば、化学式Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ａｌ_x2Ｎ（ただし、０≦ｘ２＋ｙ２≦１，ｘ２≧０，ｙ２≧０とする）で表される。電流狭窄層１０６は、化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される。第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂは、例えば、化学式Ｇａ_1-x4-y4Ｉｎ_y4Ａｌ_x4Ｎ（ただし、０≦ｘ４＋ｙ４≦１，ｘ４≧０，ｙ４≧０とする）で表される。

窒化ガリウム系化合物半導体の成長用の基板１００は、サファイア，炭化ケイ素（ＳｉＣ），ＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体，ＺｒＢ₂等の二硼化物単結晶等から成ることが良い。特に、窒化ガリウム系化合物半導体との良好な格子整合性及び熱膨張係数整合性、さらに導電性を有する点から、ｎ型ＧａＮまたはＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶が好ましい。

窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法などが用いられる。

以下、半導体レーザ素子の各製造工程に基づいて、半導体レーザ素子の各部の説明を行う。

まず、図１（ａ）に示すように、基板１００の一主面（成長面）に、基板１００と窒化ガリウム系化合物半導体との間の応力を緩和させるバッファ層１０１を形成してもよい。バッファ層１０１は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶から成る基板１００を用いた場合、基板１００と格子定数の近いＡｌ_x5Ｇａ_1-x5Ｎ（０≦ｘ５≦１）から成るものが好ましい。バッファ層１０１の厚みは２０〜１００ｎｍ程度である。

なお、窒化ガリウム系化合物半導体の成長時には基板１００が抵抗加熱式ヒーター，電磁誘導式ヒーター等のヒーターにより加熱されるが、このとき基板１００を設置したサセプターとの熱接触により熱が基板１００へ熱伝導し加熱される。また、熱接触以外にサセプター表面からの熱輻射（赤外光）により、基板１００が加熱される。

次に、バッファ層１０１上に、ｎ型半導体層の多層膜からなる厚み２〜３μｍ程度のブラッグ反射鏡１０２、厚み１００〜２００ｎｍ程度のｎ型クラッド層１０３、厚み２０〜１００ｎｍ程度の電流狭窄層１０６を順次積層する。ブラッグ反射鏡１０３は、互いに混晶比の異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を、λ／４ｎ（λ：活性層１０４の発光波長、ｎ：窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）の膜厚で交互に合計１５層〜２０層程度積層した構造になっている。

第１導電型（本実施の形態ではｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層Ａは、ブラッグ反射鏡１０２、ｎ型クラッド層１０３から成る。従って、ブラッグ反射鏡１０２、ｎ型クラッド層１０３は、例えば、化学式Ｇａ_1-x1-y1Ｉｎ_y1Ａｌ_x1Ｎ（ただし、０≦ｘ１＋ｙ１≦１，ｘ１≧０，ｙ１≧０とする）で表される。例えば、ブラッグ反射鏡１０２はＧａ_0.75Ａｌ_0.25Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層したものである。また、ｎ型クラッド層１０３はＧａ_0.95Ａｌ_0.05Ｎ層から成る。

電流狭窄層１０６は、化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される。例えば、電流狭窄層１０６はＡｌＮから成る。

次に、バッファ層１０１、ブラッグ反射鏡１０２、ｎ型クラッド層１０３及び電流狭窄層１０６を積層した基板１００について、電流狭窄層１０６上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層にマスクパターンを形成する。その後、蒸着法、スパッタリング法などにより金属層を形成した後、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を除去することによって金属マスク１１２を作製する。

次に、図１（ｂ）に示すように、電流狭窄層１０６の一部を、ドライエッチング法またはイオンビームスパッタリング法などを用いて、エッチングし除去する。この場合、金属マスク１１２はＮｉなどの硬質な金属から成るものであることが好ましい。また、電流狭窄層１０６の一部を除去するためのエッチングは、イオンビームスパッタリング法に比べ、基板１００を枚葉式に処理できるドライエッチング法が好ましい。次に、金属マスク１１２を除去し、ＫＯＨ溶液などを用いて、ドライエッチングにより形成された電流狭窄層１０６の表層のダメージ層を除去する。

次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー法によって、電流狭窄層１０６の一部をエッチング除去することによって露出したｎクラッド層１０３の上面の一部に、フォトレジスト層によるマスクパターンを形成し、蒸着法、スパッタリング法などにより、ｎクラッド層１０３の上面のマスク上及び電流狭窄層１０６上にＳｉＯ₂層を形成する。その後、ｎクラッド層１０３の上面のマスクをリフトオフ法によって除去して、電流狭窄層１０６上に厚み１００〜３００ｎｍ程度のＳｉＯ₂層１１３を形成する。

次に、露出したｎクラッド層１０３の上面の一部に活性層（発光層）１０４を成長させる。このとき、活性層１０４はＳｉＯ₂層１１３上には成長せず、露出したｎクラッド層１０３の上面の一部にのみに選択的に成長する。

また、活性層１０４は、ｎ型クラッド層１０３及びｐ型クラッド層１０５のバンドギャップより低いバンドギャップを有しており、混晶比が異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を交互に積層した多重量子井戸構造からなることが好ましい。

活性層１０４は、例えば、化学式Ｇａ_1-x2-y2Ｉｎ_y2Ａｌ_x2Ｎ（ただし、０≦ｘ２＋ｙ２≦１，ｘ２≧０，ｙ２≧０とする）で表されるものであり、Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ層とＧａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ層とを交互に合計１〜８層程度積層したものである。

次に、フッ酸（ＨＦ）などにより電流狭窄層１０６上のＳｉＯ₂層１１３を除去し、ｐ型クラッド層１０５を積層する。ＳｉＯ₂層１１３を除去した後の表面は、活性層１０４と電流狭窄層１０６の上面であり、どちらも窒化ガリウム系化合物半導体層であるため、横方向成長をしなくともｐ型クラッド層１０５を成長させることができる。その結果、薄いｐ型クラッド層１０５を容易に成長させることができる。ｐ型クラッド層１０５の厚みは５０〜２００ｎｍ程度である。

次に、ｐ型クラッド層１０５上にｐ型半導体層の多層膜からなるブラッグ反射鏡１０８、ｐ型コンタクト層１０９を順次積層する。ブラッグ反射鏡１０８は、互いに混晶比の異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を、λ／４ｎ（λ：活性層１０４の発光波長、ｎ：窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）の膜厚で交互に積層した構造になっている。

第２導電型（本実施の形態ではｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂは、ｐ型クラッド層１０５、ブラッグ反射鏡１０８、ｐ型コンタクト層１０９から成る。従って、ｐ型クラッド層１０５、ブラッグ反射鏡１０８、ｐ型コンタクト層１０９は、例えば、化学式Ｇａ_1-x4-y4Ｉｎ_y4Ａｌ_x4Ｎ（ただし、０≦ｘ４＋ｙ４≦１，ｘ４≧０，ｙ４≧０とする）で表される。例えば、ｐ型クラッド層１０５はＧａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ層から成り、ｐ型コンタクト層１０９はＧａＮ層から成る。ブラッグ反射鏡１０８は、Ｇａ_0.75Ａｌ_0.25Ｎ層とＧａＮ層とを交互に積層したものである。

次に、ｐ型コンタクト層１０９上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層に対してマスクパターンを形成する。その後、蒸着法、スパッタリング法などによりｐ型電極１１０となる金属層を形成した後にリフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を剥離し、p型電極１１０を形成する。

ｐ型電極１１０は金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）などからなる。

基板１００の他主面にフォトレジスト層を形成して、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層にマスクパターンを形成する。その後、蒸着法、スパッタリング法などによりｎ型電極１１１となる金属層を形成した後、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を剥離し、ｎ型電極１１１を形成する。

ｎ型電極１１１は金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ）などからなる。

以上の各製造工程により、本実施の形態の半導体レーザ素子が作製される。

この半導体レーザ素子に電流注入したとき、注入電流はｐ型クラッド層１０５から高抵抗の電流狭窄層１０６を避けて、活性層１０４に集中的に流れ、効率的に発光する。そして、活性層１０４で発光した光は、ブラッグ反射鏡１０２とブラッグ反射鏡１０８との間で共振し、レーザ発振する。

また、活性層１０４に隣接して高抵抗の電流狭窄層１０６が存在するため、活性層１０４の発光領域は活性層１０４の大きさによって一意的に決まる。その結果、横モードを抑制したレーザ発振が可能となる。

本実施の形態の半導体レーザ素子は、上記の通り、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ａは第１のブラッグ反射鏡１０２を含み、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層Ｂは第２のブラッグ反射鏡１０８を含むことが好ましい。これにより、第１のブラッグ反射鏡１０２と第２のブラッグ反射鏡１０８によって垂直共振器が容易に形成される。

垂直共振器を構成するレーザ共振面としては、ブラッグ反射鏡１０２，１０８に限らず、高反射率及び所定の強度の光を透過させる透過性を有する金属層等から成るものであってもよい。

また、本実施の形態の半導体レーザ素子は、電流狭窄層１０６は活性層１０４を囲むように形成されていることが好ましい。この場合、電流狭窄層１０６が効率的にレーザ共振の可能な空洞共振器を構成する。

本実施の形態の半導体レーザ素子の他例（第２例）について、以下に説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、半導体レーザ素子の各製造工程における断面図である。

窒化ガリウム系化合物半導体の成長用の基板２００は、サファイア，炭化ケイ素（ＳｉＣ），ＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体，ＺｒＢ₂等の二硼化物単結晶等から成ることが良い。特に、窒化ガリウム系化合物半導体との良好な格子整合性及び熱膨張係数整合性、さらに導電性を有する点から、ｎ型ＧａＮまたはＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶が好ましい。

窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法などが用いられる。

以下、半導体レーザ素子の各製造工程に基づいて、半導体レーザ素子の各部の説明を行う。

まず、図２（ａ）に示すように、基板２００の一主面（成長面）に、基板２００と窒化ガリウム系化合物半導体との間の応力を緩和させるバッファ層２０１を形成してもよい。バッファ層２０１は、ＸＢ_２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆの少なくとも１種を含む）で表記される二硼化物単結晶から成る基板２００を用いた場合、基板２００と格子定数の近いＡｌ_x5Ｇａ_1-x5Ｎ（０≦ｘ５≦１）から成るものが好ましい。バッファ層２０１の厚みは２０〜１００ｎｍ程度である。

次に、バッファ層２０１上にｎ型半導体層の多層膜からなる厚み２〜３μｍ程度のブラッグ反射鏡２０２、厚み１００〜２００ｎｍ程度のｎ型クラッド層２０３、厚み２０〜１００ｎｍ程度の活性層２０４を順次積層する。ブラッグ反射鏡２０２は、互いに混晶比の異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を、λ／４ｎ（λ：活性層２０４の発光波長、ｎ：窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）の膜厚で交互に合計１５層〜２０層程度積層した構造になっている。

また、活性層２０４は、ｎ型クラッド層２０３及びｐ型クラッド層のバンドギャップより低いバンドギャップを有しており、混晶比が異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を交互に積層した多重量子井戸構造からなることが好ましい。

次に、活性層２０４上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法を用いてフォトレジスト層にマスクパターン処理を施す。その後、蒸着法、スパッタリング法などによりフォトレジスト層上に金属層を形成した後に、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を除去することによって金属マスク２１２を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、金属マスク２１２が形成されていない活性層２０４の一部を、ドライエッチング法またはイオンビームスパッタリング法などによって、エッチング除去する。この場合、金属マスク２１２はＮｉなどの硬質な金属から成ることが好ましい。また、活性層２０４の一部を除去するエッチングは、イオンビームスパッタリング法に比べ、基板２００を枚葉式に処理できるドライエッチング法が好ましい。その後、金属マスク２１２を除去し、ドライエッチング法により形成された活性層２０４の表層のダメージ層を、ＫＯＨ溶液などを用いて除去する。

次に、基板２００と同様の材料から成る別の基板２１６の一主面に、厚み１０〜２０ｎｍ程度のｐ型コンタクト層２０９、ｐ型半導体層の多層膜からなる厚み２〜３μｍ程度のブラッグ反射鏡２０８、厚み５０〜２００ｎｍ程度のｐ型クラッド層２０５、厚み２０〜１００ｎｍ程度の電流狭窄層２０６を順次成長させる。ブラッグ反射鏡２０８は、互いに混晶比の異なる窒化ガリウム系化合物半導体層を、λ／４ｎ（λ：活性層２０４の発光波長、ｎ：窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）の膜厚で交互に合計１５層〜２０層層程度積層した構造になっている。

次に、図２（ｃ）に示すように、電流狭窄層２０６上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層にマスクパターン処理を施す。その後、蒸着法、スパッタリング法などによりフォトレジスト層上に金属層を形成した後、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を除去して金属マスク２１７を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、金属マスク２１７が形成されていない電流狭窄層２０６の一部を、ドライエッチング法またはイオンビームスパッタリング法などによって、エッチング除去する。この場合、金属マスク２１７はＮｉなどの硬質な金属から成ることが好ましい。また、電流狭窄層２０６の一部を除去するエッチングは、イオンビームスパッタリング法に比べ、基板２１６を枚葉式に処理できるドライエッチング法が好ましい。その後、金属マスク２１７を除去し、ドライエッチング法により電流狭窄層２０６の表層に形成されたダメージ層をＫＯＨ溶液などによって除去する。

次に、図２（ｅ）に示すように、それぞれ異なる種類の窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板２００，２１６を、活性層２０４と電流狭窄層２０６とが隣接するように嵌め合わせて、貼り合わせる。この場合、基板２００，２１６の各表面の結晶方位軸が合うようにする。貼り合せた基板２００，２１６を、窒化ガリウム系化合物半導体の成長装置内に設置し、アンモニアガス雰囲気中で熱処理を行い、熱融着する。

次に、図２（ｆ）に示すように、ｐ型コンタクト層２０９に接している基板２１６を除去する。基板２１６の除去は、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、または研削法などの方法によって行う。これらの方法のうち、窒化ガリウム系化合物半導体に物理的なダメージが伴わないウエットエッチング法が好ましい。

次に、ｐ型コンタクト層２０９上にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層にマスクパターン処理を施す。その後、蒸着法、スパッタリング法などにより、ｐ型電極２１０となる金属層を形成した後、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を剥離し、ｐ型電極２１０を形成する。

ｐ型電極２１０は金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）などからなる。

次に、基板２００の他主面（下面）にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー法によってフォトレジスト層にマスクパターン処理を施す。その後、蒸着法、スパッタリング法などにより、ｎ型電極２１１となる金属層を形成した後、リフトオフ法によって不要なフォトレジスト層を剥離し、ｎ型電極２１１を形成する。

ｎ型電極２１１は金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ）などからなる。

以上の各製造工程により本実施の形態の半導体レーザ素子が作製される。

この半導体レーザ素子に電流注入したとき、注入電流はｐ型クラッド層２０５から高抵抗の電流狭窄層２０６を避けて、活性層２０４に集中的に流れ、効率的に発光する。そして、活性層２０４で発光した光は、ブラッグ反射鏡２０２とブラッグ反射鏡２０８との間で共振し、レーザ発振する。

また、活性層２０４に隣接して高抵抗の電流狭窄層２０６が存在するため、活性層２０４の発光領域は活性層２０４の大きさによって一意的に決まる。その結果、横モードを抑制したレーザ発振が可能となる。

（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態の半導体レーザ素子の１例（第１例）を各製造工程において示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は本実施の形態の半導体レーザ素子の他例（第２例）を各製造工程において示す断面図である。 従来の垂直共振器型面発光レーザである半導体レーザ素子の１例を示す断面図である。

符号の説明

１００：基板
１０２：ブラッグ反射鏡
１０４：活性層
１０６：電流狭窄層
１０８：ブラッグ反射鏡
２００：基板
２０１：バッファ層
２０２：ブラッグ反射鏡
２０４：活性層
２０６：電流狭窄層
２０８：ブラッグ反射鏡
２１６：基板
Ａ：第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
Ｂ：第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層

Claims (4)

1. 基板と、前記基板の一主面に形成された第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、前記活性層に隣接して形成された化学式Ａｌ_xaＧａ_1-xaＮ（ただし、０＜ｘa＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る電流狭窄層と、前記活性層及び電流狭窄層の上に形成された第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と、を有する半導体レーザ素子。
2. 前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第１のブラッグ反射鏡を含み、前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層は第２のブラッグ反射鏡を含む請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記電流狭窄層は前記活性層を囲むように形成されている請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
4. 第１の基板上に第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい電流狭窄層を順次積層する工程と、第２の基板上に第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層及び前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層よりも平面視寸法が小さい活性層を順次積層する工程と、前記電流狭窄層と前記活性層とが隣接するようにそれらを嵌め合わせる工程とを具備する半導体レーザ素子の製造方法。

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