JP2010034305A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した自励発振動作が可能な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、基板１の上に形成されたIII族窒化物半導体からなり、ＭＱＷ活性層５を含むと共に上部に段差領域（凹部２）が選択的に形成された積層構造体２０を有している。積層構造体２０の上部には、その主面に平行に延びる導波路を有するリッジストライプ部１１が形成され、段差領域の近傍には、ＭＱＷ活性層５におけるバンドギャップエネルギーがＥｇ１である第１領域５ａと、該第１領域５ａと隣接し且つＭＱＷ活性層５におけるバンドギャップエネルギーがＥｇ２（Ｅｇ２＜Ｅｇ１）である第２領域５ｂとが形成されている。導波路は、第１領域５ａと第２領域５ｂとを含み且つ段差領域を含まないように形成されることにより、自励発振動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に自励発振動作を行う青紫色半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置は、電流−光出力特性の線形性に優れ且つ単色性に優れた強い光を放射できるため、レーザ光を集光したときのスポットサイズを小さくすることができる。

そこで、半導体レーザ装置は、光ディスク又は光磁気ディスク等の、光の照射により記録及び再生が行われる記録メディアの装置駆動用光ピックアップの光源に使用され、近年、青色ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の高密度記録メディアの駆動装置に用いられ始めており、特にIII族窒化物半導体レーザ装置を用いた光源用デバイスの開発が進められている。

ところで、半導体レーザ装置から出射されたレーザ光が光ディスクにより反射された後、再び半導体レーザ装置の端面に戻り光として入射することによって生じる、戻り光雑音を低減するため、信号の再生時に、半導体レーザ装置に高周波の電流を重畳させて発振スペクトルをマルチモード化し、レーザ光が持つ干渉性を低減することにより、戻り光雑音を低減する方法が採られている。

戻り光雑音を低減させる方法として、活性層における光増幅領域と吸収領域と呼ばれる利得領域との周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収効果を有する領域を形成することにより自励発振動作を行わせる方法がある。このときの導波路内の実効屈折率の変化によって発振波長に揺らぎが生じ、これにより、光の干渉性が低減して、戻り光雑音を低減することが可能となる。

特許文献１には、内部に光増幅領域と光吸収領域としての可飽和吸収領域とを有する窒化物半導体自励発振レーザ装置が記載されている。

図１２に特許文献１に記載された窒化物半導体レーザ装置の断面構成を示す。図１２に示すように、従来の窒化物半導体レーザ装置は、サファイアからなる基板１０１の主面上に、ｎ型コンタクト層１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｎ型電流狭搾構造１０６及びｐ型コンタクト層１０８が順次積層されて構成されている。

ｐ型クラッド層１０５は、活性層１０４の上面を覆って形成された平坦部１０５ａと、該平坦０１０５ａの中央部に上向きに凸状に形成された、幅がＷ２の下段ストライプ部１０５ｂと、該下段ストライプ部１０５ｂの中央部にさらに凸状に形成された、幅がＷ１の上段ストライプ部１０５ｃとにより構成される。すなわち、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも小さくなるように、下段ストライプ部１０５ｂ及び上段ストライプ部１０５ｃが設けられる。

ｎ型コンタクト層１０２の露出された領域の上にはｎ側電極１０９が設けられると共に、ｐ型コンタクト層１０８の上には端子１１０が設けられる。

このような構成の窒化物半導体レーザ装置は、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１によって規制され、ｐ型クラッド層１０５から活性層１０４に流れる電流が横方向へ広がらないように強制される。従って、活性層１０４の中央部に、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１に応じた大きさの電流注入領域が形成される。また、下段ストライプ部１０５ｂの幅Ｗ２は、上段ストライプ部１０５ｃの幅Ｗ１よりも大きいため、発光スポットの幅が下段ストライプ部１０５ｂの幅Ｗ２に応じた大きさとなって、電流注入領域の周囲に可飽和吸収領域が形成される。これにより、活性層１０４において、電流注入領域と可飽和吸収領域とが相互作用することにより自励発振動作し、パルス状の光出力を得ることができる。

この自励発振半導体レーザ装置は、電流の広がりによって生じる活性層内光学利得領域（その幅をＧとする）をできるだけ狭くし、逆に、導波路のスポットサイズ（その幅をＳとする）を比較的に大きく設定して、Ｓ＞Ｇなる関係を満たした場合に、その差分が可飽和吸収体として機能し、自励発振動作を生じさせる。

このため、屈折率導波路（Index Guide）型レーザ装置と利得導波路（Gain Guide）型レーザ装置との中間的な導波路として、上記の関係を満たす。十分な可飽和吸収効果を生じさせることは、安定した自励発振動作を維持させるために重要である。可飽和吸収体の効果は、活性層１０４の中央部の発光光学利得領域における微分利得（∂Ｇ／∂n：Ｇは光学利得を表し、ｎは注入キャリア濃度を表す。）が小さく（レーザ発振時飽和）、且つ可飽和吸収体の微分利得が大きく、従って両者の差が大きいことが有効であり、自励発振条件は微分利得とその大きさが重要である。なお、活性層１０４の構造には、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を採用する場合が多い。

ところで、自励発振動作を安定して発生させるには、下記の２項目が必要である。

（１）活性層の発光領域における微分利得と可飽和吸収領域における微分利得との差が大きく、且つ、発光領域における微分利得が飽和しやすいこと。

（２）可飽和吸収領域における光吸収効果が大きいこと。

図１３は一般的な光学利得Ｇと注入キャリア濃度ｎとの関係を示している。安定した自励発振動作を起こすには、上記の（１）及び（２）を満たすことが必要である。しかしながら、発光領域における微分利得が飽和の少ない特性の場合は、自励発振動作は安定し難い。

また、図１４はＭＱＷ構造における量子井戸数Ｎと光学利得の注入キャリア密度の関係を定性的に示している。量子井戸数Ｎを増加すると、光学利得が飽和し難くなるため、自励発振動作を得られ難くなる。

すなわち、量子井戸数Ｎの値が小さい程、発光領域の利得Ｇが飽和しやすくなるため、光学利得が飽和し難いＭＱＷ構造の活性層と比べて、バルク活性層のように光学利得が飽和しやすい。従って、飽和効果を強くすることが自励発振動作を確実に行えるようにすることにつながる。
特開２０００−２８６５０４号公報

しかしながら、従来の自励発振型の半導体レーザ装置は、量子井戸構造とバルク構造とでは、光吸収係数はバルク構造の方が大きく量子井戸構造では小さい。この点は、量子井戸構造を導波路に用いた場合に、導波路損失が少なく良好な導波路特性を得られることからも実証されている。ところが、光吸収の少なさは、上記（２）の「可飽和吸収領域における光吸収効果が大きいこと」の条件に反するため、安定した自励発振動作の実現が困難となる。

一方、光吸収量を増大させるには、バルク構造を導入するか、多重量子井戸構造の井戸数を減らすことが有効となるが、逆に（１）の条件「活性層の発光領域における微分利得と可飽和吸収領域における微分利得差とのが大きく、且つ、発光領域における微分利得が飽和しやすいこと」を満たすことができない。

従って、前記（１）及び（２）の条件を両立する自励発振型の半導体レーザ装置は実現されていないのが現状である。

本発明は、前記従来の問題を解決し、安定した自励発振動作が可能な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、レーザ構造を含むIII族窒化物半導体からなる積層構造体における導波路の近傍に段差領域を設ける構成とする。

本願発明者らは、種々の検討を行った結果、基板の一部に段差領域を設けた後にレーザ構造を含む窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を成長すると、活性層における段差領域の近傍におけるバンドギャップエネルギーが、段差領域から離れた領域におけるバンドギャップエネルギーとは異なる値を取るという知見を得ている。このバンドギャップエネルギーが小さい領域をレーザ装置の導波路内の一部に可飽和吸収領域として用いることにより、可飽和吸収量が増大して可飽和吸収領域の尾部利得が大きくなり、且つ、発光領域の光学利得がバンドギャップの一部が異なるため小さくなり、微分利得として小さくなるので、前記（１）及び（２）の条件を満たすようになり、安定した自励発振動作が可能となる。

本発明はこの知見により得られたものであり、具体的には以下の構成により実現される。

本発明に係る半導体レーザ構造素子は、基板と、基板の上に形成されたIII族窒化物半導体からなり、活性層を含む積層構造体とを備え、積層構造体は、積層構造体の主面に平行に延びるストライプ状の導波路と、積層構造体の上部で且つ導波路の近傍に選択的に形成された段差領域と、段差領域近傍における導波路の内部の領域に形成され、活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ１である第１領域と、段差領域近傍を除く導波路の内部の領域に形成され、活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ２（Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２領域とを有し、第１領域と第２領域とは隣接しており、導波路は段差領域を含まない領域に形成されることにより、自励発振動作することを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置によると、段差領域が形成された積層構造体における段差領域の近傍に位置する活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ１である第１領域と、該第１領域と隣接し且つ段差領域が導波路の近傍に設けられていない領域における活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ２である第２領域とが形成され、且つ、第１領域と第２領域とは隣接しており、導波路は段差領域を含まないように形成されている。これにより、導波路内においてＥｇ１及びＥｇ２のうちバンドギャップエネルギーが小さい領域において、光吸収が大きくなって可飽和吸収領域として強く働くため、安定した自励発振動作を行うIII族窒化物半導体レーザ装置を実現することができる。

本発明の半導体レーザ装置において、基板の主面には凹部又は凸部が形成されており、段差領域は、基板の凹部又は凸部によって形成されていることが好ましい。

このようにすると、バンドギャップエネルギーのオフ角依存性を用いることができる。すなわち、基板の主面の面方位に対して導波路の近傍に段差領域として凹部又は凸部を形成することにより、段差領域の近傍において導波路の積層構造体が形成される際に、基板の主面の面方位とは異なるオフ角が形成されるため、段差領域の近傍の活性層におけるバンドギャップエネルギーを変化させることができる。

本発明の半導体レーザ装置において、活性層はインジウム（Ｉｎ）を含むことが好ましい。

このようにすると、活性層のＩｎ組成が基板オフ角に依存して変化することにより、活性層におけるバンドギャップエネルギーを確実に変化させることができる。

本発明の半導体レーザ装置において、積層構造体における主面の結晶面に対する第１領域の傾斜角度は、主面の結晶面に対する第２領域の傾斜角度と異なることが好ましい。

このようにすると、III族窒化物半導体結晶の混晶比によって決まるバンドギャップエネルギーはオフ角依存性により変化するため、第１領域の傾斜角度と第２領域の傾斜角度とを異ならせることによりオフ角が異なる。これにより、第１領域と第２領域とのバンドギャップエネルギーの差を確実に生じさせることができる。

本発明の半導体レーザ装置において、基板における主面の面方位は結晶面の｛０００１｝面であり、導波路は、結晶軸の＜１−１００＞方向に沿って形成され、段差領域の少なくとも一部は、導波路に沿って形成されていることが好ましい。

一般に、半導体レーザ装置における反射ミラーは結晶の劈開面を利用して形成されるため、基板の主面の面方位の｛０００１｝面に対して導波路が延びる方向及び段差領域の少なくとも一部が延びる方向を＜１−１００＞方向に設定することにより、反射ミラーを簡易な劈開方法により形成することができる。なお、本願明細書においては、面方位及び結晶軸の指数に付した負符号”−”は該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。

本発明の半導体レーザ装置において、段差領域における結晶軸の＜１−１００＞方向の長さは、第１領域及び第２領域のうち、導波路が延びる方向の長さにおいてバンドギャップエネルギーが大きい領域の方がバンドギャップエネルギーが小さい領域よりも長くなるように設定されていることが好ましい。

このようにすると、バンドギャップエネルギーが互いに異なる第１領域及び第２領域のうち、レーザ発振動作状態での光学利得はエネルギーバンドギャップが大きい領域が主として働き、バンドギャップエネルギーが小さい領域は可飽和吸収領域として効率的に働くため、安定した自励発振動作を実現することができる。

本発明に係る半導体レーザ装置によると、安定した自励発振動作を行うIII族窒化物半導体レーザ装置を実現することができる。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図１（ａ）は平面構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面構成を示している。

本実施形態に係る半導体レーザ装置は、窒化ガリウム系半導体からなり、発振波長が４０５ｎｍの青紫半導体レーザ装置である。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１の主面上に、ｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層３と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層４と、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるバリア層とＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなる井戸層とを含む量子井戸構造を５周期分積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層７と、Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層（ＯＦＳ層）８と、ｐ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎとｐ型ＧａＮ層とを１６０周期分繰り返し積層した歪超格子構造を採るｐ型クラッド層９と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０とから構成された積層構造体２０を有している。なお、基板１はｎ型ＧａＮに限られず、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いてもよい。

ここで、図１（ａ）〜図１（ｃ）において、基板１及び積層構造体２０の結晶方位をｃ、ａ及びｍで表す。ｃは面方位が（０００１）面の法線ベクトル（ｃ軸）を表し、ａは面方位が（１１−２０）面とその等価な法線ベクトル（ａ軸）を表し、ｍは面方位が（１−１００）面とその等価な法線ベクトル（ｍ軸）を表す。

図１（ｃ）に示すように、本実施形態においては、基板１の主面にｍ軸方向に沿った溝部１ａが形成され、これにより、積層構造体２０の上部にも、基板１の溝部１ａの断面形状が反映された、段差領域を構成する凹部２が形成される。ここで、溝部１ａは、ｍ軸方向に対向する２つの劈開端面からそれぞれ間隔をおいて形成されている。

積層構造体２０には、凹部２に沿ってリッジストライプ部１１が形成されている。リッジストライプ部１１は、その上部にｐ型コンタクト層１０を含み且つその下部にｐ型クラッド層９を含んでいる。

本実施形態の特徴として、ＭＱＷ活性層５における凹部２から離れた領域のバンドギャップエネルギーＥｇ２は、凹部２の近傍領域におけるバンドギャップエネルギーＥｇ１と比べて、Ｅｇ１＞Ｅｇ２の関係を満たしている。

本発明によると、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、積層構造体２０の上部に基板１の溝部１ａによって形成された凹部２（段差領域）により生じるバンドギャップエネルギーが大きい第１領域５ａを導波路内に設けている。さらに、積層構造体２０のｍ軸方向の端面及びその近傍には溝部１ａによる段差領域を形成しないようにすることにより、バンドギャップエネルギーが小さい第２領域５ｂを１つの導波路内に形成することができる。これにより、導波路内のバンドギャップエネルギーが小さい第２領域５ｂにおいて、光の可飽和吸収量が増大して、安定した自励発振動作が可能となる。

すなわち、図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置は、リッジストライプ部１１が延びる方向（共振器長方向）にバンドギャップエネルギーが大きい第１領域５ａからなる光学利得領域２１と、第１領域５ａの両端面方向に位置し、第１領域５ａよりもバンドギャップエネルギーが小さい第２領域５ｂからなる可飽和吸収領域２２を有している。

なお、ＭＱＷ活性層５において段差領域によりバンドギャップエネルギーが大きい第１領域５ａが形成される効果の詳細は後述する。

基板１に設けた溝部１ａの平面寸法は、ここではａ軸方向の幅を３０μｍとし、ｍ軸方向の長さを３００μｍとしている。但し、各寸法は一例に過ぎず、溝部１ａのａ軸方向の幅は２μｍ以上且つ２００μｍ以下程度が好ましく、さらには、２μｍ以上且つ１００μｍ以下程度が好ましい。また、ｍ軸方向の長さは、リッジストライプ部１１の長さ（共振器長）の２分の１以上で、且つ共振器長よりも短いことが望ましい。なお、共振器長は、例えば３００μｍから４００μｍ程度であるがこれに限られない。また、溝部１ａの深さは、２μｍとしているが、０．１μｍ以上且つ５μｍ以下程度が好ましい。

リッジストライプ部１１が形成された積層構造体２０の上面には、リッジストライプ部１１の上面を除いて、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜１２が形成されている。

また、リッジストライプ部２０の上面に露出するｐ型コンタクト層１０の上には、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極１３が形成されている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、絶縁膜１２の上には、リッジストライプ部１１を覆うように、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる配線電極１４が形成され、該配線電極１４の上には、金（Ａｕ）からなるパッド電極１５が形成されている（図１（ｃ）では図示せず。）。

以下、前記のように形成された青紫色半導体レーザ装置の製造方法について説明する。

まず、原料にシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用いた熱化学気相成長（Thermal Chemical Vapor Deposition）法により、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮからなる基板１の主面上に、膜厚が６００ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜を成膜する。その後、成膜されたＳｉＯ_２膜に対して、リソグラフィ法及びエッチング法により、ａ軸とｍ軸とに平行で且つａ軸方向の幅を３０μｍとし、ｍ軸方向の長さを３００μｍとする平面長方形状の開口部を形成して、溝部１ａを形成するための第１のマスク膜（図示せず）を形成する。

次に、エッチングガスに四フッ化炭素（ＣＦ_４）を用いた誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma:ＩＣＰ）エッチング装置により、基板１を第１のマスク膜を介してエッチングすることにより、基板１に深さが２μｍの溝部１ａを形成する。その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて第１のマスク膜を除去する。

次に、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、主面に溝部１ａが形成された基板１の主面上に、III族窒化物半導体からなる積層構造体２０をエピタキシャル成長により形成する。具体的には、溝部１ａを含め基板１の主面の全面に、厚さが１．５μｍのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層３と、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層４とを順次成長する。

続いて、ｎ型光ガイド層４の上に、厚さが７．５ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるバリア層と厚さが３ｎｍのＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなる井戸層とにより構成された量子井戸構造を５周期分積層したＭＱＷ活性層５を成長する。

次に、ＭＱＷ活性層５上に、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層７を成長する。続いて、Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層８を成長し、その後、キャリアオーバフロー抑制層８の上に、それぞれ厚さが１．５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層とｐ型ＧａＮ層とを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造を持つｐ型クラッド層９を形成する。続いて、ｐ型クラッド層９の上に、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０を形成する。

ここで、各原料の一例として、III族原料には、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ源としてトリメチルインジウムを用いている。また、Ｖ族原料には、窒素（Ｎ）源としてアンモニア（ＮＨ_３）を用いている。ｎ型不純物原料には、Ｓｉ源であるモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用い、ｐ型不純物原料には、Ｍｇ源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いている。

図１（ｃ）に示すように、ＭＱＷ活性層５を含む積層構造体２０の上部に形成された凹部２は、基板１に形成した溝部１ａを埋め込むように形成される。なお、凹部２は、積層構造体２０の成長条件によっては埋め込まれてしまうこともあるが、基板１に設けた溝部１ａの影響により、ＭＱＷ活性層５における溝部１ａの上側及びその近傍の第１領域５ａのバンドギャップエネルギーＥｇ１がＭＱＷ活性層５の他の領域のバンドギャップエネルギーＥｇ２よりも大きくなっている限りは、光吸収量が増大し、安定した自励発振動作が可能となる。

次に、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１０の上に、膜厚が０．３μｍのシリコン酸化膜を成膜する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、シリコン酸化膜から、幅が１．５μｍで且つｍ軸方向に平行なリッジストライプ部形成用の第２のマスク膜（図示せず）を形成する。ここで、ｐ型コンタクト層１０の上における第２のマスク膜の形成位置は、段差領域の縁から５μｍだけ離れた位置に形成する。なお、リッジストライプ部の形成位置は、ここでは段差領域の縁から５μｍ離れた位置に形成したが、Ｅｇ１≠Ｅｇ２の関係を満たす限りは、段差領域の縁からどれだけ離れていても構わない。但し、後述するように、リッジストライプ部の形成位置は、段差領域の縁から１μｍ以上且つ１５μｍ以下が好ましく、さらには、２μｍ以上且つ１０μｍ以下が好ましい。

次に、ＩＣＰ法により、第２のマスク膜を用いて、積層構造体２０の上部を０．３５μｍの深さにまでエッチングして、ｐ型クラッド層９が露出したリッジストライプ部１１を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去する。続いて、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層９の上にリッジストライプ部１１を含む全面にわたって厚さが２００ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜１２を形成する。

次に、リソグラフィ法により、絶縁膜１２におけるリッジストライプ部１１の上側部分に対して、リッジストライプ部１１に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法により、レジストパターンをマスクとして、絶縁膜１２をエッチングすることにより、絶縁膜１２におけるリッジストライプ部１１の上側部分からｐ型コンタクト層１０を露出する。

次に、真空蒸着法により、少なくともリッジストライプ部１１の上面から露出したｐ型コンタクト層１０の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法により、レジストパターンを除去することにより、金属積層膜からｐ側電極１３を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜１２の上に、リッジストライプ部１１の上のｐ側電極１３を覆うように且つリッジストライプ部１１と平行な方向に幅が１５０μｍの配線電極１４を選択的に形成する。配線電極１４は、それぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層金属膜により形成する。

次に、電解めっき法により、配線電極１４におけるＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やして、Ａｕからなるパッド電極１５を形成する。ここで、互いに隣り合うレーザ構造をチップに分離する際に、パッド電極１５が隣接するレーザ構造に跨って形成されていると、チップ状に分離した際に電極剥れを生じるため、各パッド電極１５は、チップ単位で分離して形成する。

次に、パッド電極１５まで形成されたウエハ状態の基板１の裏面を、研磨により基板１の厚さを１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、真空蒸着法により、基板１の裏面に、５ｎｍ、１０ｎｍ及び１０００ｎｍの膜厚でそれぞれＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜により、ｎ側電極１６を形成する。

次に、ウエハ状態の基板１を、ｍ軸方向の長さが４００μｍになるようｍ面（ａ軸）に沿って１次劈開を行う。この際、基板１に形成された溝部１ａによりバンドギャップエネルギーが大きくなったＭＱＷ活性層５の一部の第１領域５ａを含まないように劈開する。その後、１次劈開された基板１をａ軸方向の長さ（幅）が２００μｍとなるようにａ面（ｍ軸）に沿って２次劈開して、レーザチップに分離する。

以下、ＭＱＷ活性層５において、基板１に設けた溝部１ａによる段差領域の形成によりバンドギャップエネルギーが変化する現象を説明する。

図２（ａ）は段差領域（ここでは基板１の溝部１ａ）の幅方向の中心線を原点に採り、ａ軸方向にカソードルミネッセンス（Cathode Luminescence：ＣＬ）スペクトルを測定したときの、ＣＬスペクトルのピークエネルギーを示している（左側の縦軸）。また、図２（ｂ）は図２（ａ）の段差領域の近傍を拡大して示している。ここでは、短辺が３０μｍで長辺が３００μｍの段差領域の中心位置を原点としており、図２の横軸における１５μｍの位置が段差領域の縁となる。

図３（ａ）は段差領域の長さ方向の中心線を原点に採り、ｍ軸方向にＣＬスペクトルを測定したときの、ＣＬスペクトルのピークエネルギーを示している（左側の縦軸）。また、図３（ｂ）は図３（ａ）の段差領域の近傍を拡大して示している。

また、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、右側の縦軸は、左側の縦軸のＣＬスペクトルのピークエネルギーに対応する波長を表している。図２及び図３からわかるように、段差領域の近傍においてＣＬスペクトルのピークエネルギーが変化して大きくなる領域が存在する。また、一般にバンドギャップエネルギーが大きいと、ピークエネルギー値は大きくなり、すなわち光吸収波長は短くなる。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）から分かるように、ａ軸方向及びｍ軸方向において、ＣＬスペクトルのピークエネルギーにおける変化量の最大値はいずれも約９２ｍｅＶとほぼ等しいものの、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが変化する領域の幅が異なっている。図２（ｂ）に示すａ軸方向の場合は約１４μｍであり、図３（ｂ）に示すｍ軸方向の場合は約２μｍである。

従って、導波路の内部であって、ＭＱＷ活性層５における段差領域（凹部２）の近傍の領域に、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが変化する第１領域５ａを共振器長の半分を越える領域を含むように形成することにより、ＭＱＷ活性層５における段差領域の近傍を中心に光学利得を持つ光学利得領域２１が形成される一方、導波路内の段差領域が設けられていない第２領域５ｂには可飽和吸収領域２２が形成される。なお、可飽和吸収領域２２は、共振器長に占める段差領域（溝部１ａ）のｍ軸方向の長さによって容易に調整することができる。

さらに、本願発明者らは、Ｘ線マイクロアナライザ（Electron Probe Micro-Analysis：ＥＰＭＡ）により、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが大きい領域と小さい領域とのＩｎ組成を調査したところ、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが大きい領域はＩｎ組成が小さく、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが小さい領域はＩｎ組成が大きいことが分かった。一般に、ＩｎＧａＮにおけるＣＬスペクトルのピークエネルギーは、Ｉｎ組成が大きい程小さくなるため、ＭＱＷ活性層５における段差領域の近傍部分のＣＬスペクトルのピークエネルギーの変化は、Ｉｎ組成の変化によると推測される。

次に、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すＣＬスペクトル評価領域に対して段差計を用いて高さを評価したところ、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが変化している領域はわずかに傾斜していることを確認している。その評価結果を図４に示す。

図４は左縦軸にａ軸方向の高さ評価結果を表し、右縦軸に高さ変化から読み取ったａ軸方向への傾斜角度を表している。

ｃ面上に形成されたＩｎＧａＮ材料において、オフ角度の増大に伴ってＩｎ組成が低下し、発光ピークエネルギーが小さくなることが分かっている。従って、段差領域の近傍においても、オフ角度の増大に伴ってＩｎ組成が低下し、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが増大したと推測される。

なお、光学利得領域２１は、段差領域によるオフ角度の増大に限られず、段差領域の近傍において結晶成長時おけるＩｎ及びＧａの半導体層への取り込みの低下による井戸幅の減少によるＣＬスペクトルのピークエネルギーの増大であっても構わない。

図５は図４に示すオフ角度から計算されるＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層５の発光エネルギーと、実験により得られたＣＬスペクトルのピークエネルギーとを重ね合わせて示している。図５によると、エネルギー変化領域の位置とエネルギー変化量とが概ね一致しており、積層構造体２０における段差領域の近傍におけるオフ角度が大きくなったことにより、ＭＱＷ活性層５におけるＩｎ組成が低下して、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが増大したと考えられる。

以下、本実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置におけるレーザ特性を示す。

図６は本実施形態に係る青紫色自励発振型レーザ装置における注入パルス電流に対する光出力特性を示し、図７は同レーザ装置における注入パルス電流に対する光応答特性を示している。ここで、注入電流条件は、パルス周期が１２５ｎｓで、デューティが５０％である。図６に示すように、良好なレーザ発振特性を得られている。また、図７に示すように、電流の注入領域において、レーザ装置はパルス状の光応答特性を示し、注入パルス電流がオフになった時点で光応答が停止しており、自励発振動作をしていることが分かる。

次に、図８に本実施形態に係る青紫色自励発振型レーザ装置に電流を連続して注入するＣＷ（Continuous Wave）動作を行った場合の戻り光ノイズ特性（ＲＩＮ特性）の出力依存性を示す。光出力が１５ｍＷの付近においては、戻り光ノイズ特性が−１３０ｄＢ／Ｈｚを下回り、重畳回路を設けることなく大幅なノイズの低減を得られることが確認できる。

以上説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ装置によると、導波路に量子井戸構造（ＭＱＷ活性層５）を用いても、光吸収が可能なバンドギャップエネルギーを持たせることができ、従って、光吸収を増大させる領域（可飽和吸収領域２２）を形成することが可能となる。その上、可飽和吸収領域２２は簡単な製造プロセスによって制御することが可能である。すなわち、基板１に溝部１ａを設けておけば、導波路構造においてＭＱＷ活性層５を形成するのと同時に、互いのバンドギャップエネルギーが異なる光利得領域２１及び可飽和吸収領域２２を形成することができる。

従って、本実施形態においては、戻り光ノイズを低減できる自励発振型動作を行う青紫色半導体レーザ装置を、簡易なプロセスにより製造コストを増大させることなく実現することができる。

（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図９（ａ）は平面構成を示し、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面構成を示し、図９（ｃ）は図９（ａ）のIXｃ−IXｃ線における断面構成を示している。図９において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。以下の各変形例においても同様である。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１変形例に係る半導体レーザ装置は、積層構造体２０の上部に設ける凹部２を出射端面（前方端面）にまで延長して形成している。

これにより、凹部２により生じるバンドギャップエネルギーが大きい第１領域５ａが出射端面にまで形成され、この第１領域５ａを含むように光学利得領域２１が形成される。なお、第１変形例に係る凹部２は、基板１に設ける溝部１ａを出射端面にまで延長することにより形成できる。

このように、凹部２を出射端面にまで延長することにより自励発振動作をし、出射端面での光の強度が増大したとしても、出射端面の近傍には可飽和吸収領域が存在しないため、ＣＯＤレベルの低下を防ぐことができる。

（一実施形態の第２変形例）
以下、本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図１０（ａ）は平面構成を示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面構成を示し、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＸｃ−Ｘｃ線における断面構成を示している。

図１０（ａ）及び図１０（ｃ）に示すように、第２変形例に係る半導体レーザ装置は、積層構造体２０の上部に設ける凹部２を積層構造体２０におけるｍ軸方向に平行な側面にまで拡張して形成している。

このようにしても、凹部２におけるリッジストライプ部１１側の段差領域により生じるバンドギャップエネルギーが大きい第１領域５ａが形成されるため、この第１領域５ａを含むように光学利得領域２１が形成される。なお、第２変形例に係る凹部２は、基板１に設ける溝部１ａを基板１におけるｍ軸方向に平行な側面にまで拡張することにより形成できる。

（一実施形態の第３変形例）
以下、本発明の一実施形態の第３変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図１１（ａ）は平面構成を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面構成を示し、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のXIｃ−XIｃ線における断面構成を示している。

図１１（ａ）及び図１１（ｃ）に示すように、第３変形例に係る半導体レーザ装置は、積層構造体２０に設ける段差領域を、凹部２に代えて凸部２３を設けることにより形成している。なお、凸部２３は基板１の主面上に設ける溝部１ａに代えて、ストライプ状の突起部１ｂを設けることにより形成できる。

ここで、基板１に設けた突起部１ｂにおけるｍ軸方向の長さは、例えば、約５０μｍ以上且つ約２００μｍ以下に設定するとよい。また、突起部１ｂにおけるａ軸方向の幅は、例えば、約２μｍ以上且つ約２００μｍ以下が好ましく、さらには、約２０μｍ以上且つ約１００μｍ以下が好ましい。

また、突起部１ｂの高さは、例えば約０．１μｍ以上且つ約５μｍ以下が好ましく、積層構造体２０に形成された凸部２３の高さは、例えば約０．０１μｍ以上且つ約５μｍ以下が好ましい。

また、リッジストライプ部１１は、段差領域の縁からａ軸方向に約１μｍ以上且つ約１５μｍ以下、さらには、約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の距離をおいてｍ軸方向に平行に形成するとよい。但し、突起部１ｂの長さ、幅及び高さの各寸法は、上記の値には限られない。

なお、上記の実施形態、その第１変形例及び第２変形例に係る凹部２、並びに第３変形例に係る凸部２３は、リッジストライプ部１１（導波路）に対して一方の側方領域にのみ形成されていることが好ましい。

本発明に係る半導体レーザ装置は、安定した自励発振動作を行うIII族窒化物半導体レーザ装置を実現でき、例えば光ディスク用の光源等として有用である。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色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る。 （ａ）は段差領域の中心位置を原点としたＣＬスペクトルのピークエネルギー（波長）のａ軸方向における位置依存性を示すグラフである。（ｂ）は（ａ）の段差領域（正側）の近傍を拡大したグラフである。 （ａ）は段差領域の中心位置を原点としたＣＬスペクトルのピークエネルギー（波長）のｍ軸方向における位置依存性を示すグラフである。（ｂ）は（ａ）の段差領域（正側）の近傍を拡大したグラフである。 本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置の積層構造体における段差領域近傍の高さを段差計により測定した結果と、高さから見積もったオフ角度とを表すグラフである。 図４に示すオフ角度の変化から見積もった活性層の発光エネルギーの計算値と実験値とを表すグラフである。 本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置における光出力の注入電流依存性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置における光応答の注入電流依存性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置における戻り光ノイズ（ＲＩＮ）の光出力依存性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のIXｃ−IXｃ線における断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色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る。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）のXIｃ−XIｃ線における断面図である。 従来の窒化物半導体レーザ素子を示す断面図である。 一般的な光学利得の注入キャリア密度依存性を説明するグラフである。 一般的な光学利得関数の量子井戸数依存性を説明するグラフである。

符号の説明

１ 基板
１ａ 溝部
１ｂ 突起部
２ 凹部
３ ｎ型クラッド層
４ ｎ型光ガイド層
５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
５ａ バンドギャップエネルギーが大きい第１領域
５ｂ バンドギャップエネルギーが小さい第２領域
７ ｐ型光ガイド層
８ キャリアオーバフロー抑制層
９ ｐ型クラッド層
１０ ｐ型コンタクト層
１１ リッジストライプ部
１２ 絶縁膜
１３ ｐ側電極
１４ 配線電極
１５ パッド電極
１６ ｎ側電極
２０ 積層構造体
２１ 光学利得領域
２２ 可飽和吸収領域
２３ 凸部

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成されたIII族窒化物半導体からなり、活性層を含む積層構造体とを備え、
   前記積層構造体は、
   前記積層構造体の主面に平行に延びるストライプ状の導波路と、
   前記積層構造体の上部で且つ前記導波路の近傍に選択的に形成された段差領域と、
   前記段差領域近傍における前記導波路の内部の領域に形成され、前記活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ１である第１領域と、
   前記段差領域近傍を除く前記導波路の内部の領域に形成され、前記活性層のバンドギャップエネルギーがＥｇ２（Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２領域とを有し、
   前記第１領域と前記第２領域とは隣接しており、
   前記導波路は、前記段差領域を含まない領域に形成されることにより、自励発振動作することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記基板の主面には凹部又は凸部が形成されており、
   前記段差領域は、前記基板の凹部又は凸部によって形成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. 前記活性層は、インジウム（Ｉｎ）を含む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. 前記積層構造体における主面の結晶面に対する前記第１領域の傾斜角度は、前記主面の結晶面に対する前記第２領域の傾斜角度と異な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. 前記基板における主面の面方位は結晶面の｛０００１｝面であり、
   前記導波路は、結晶軸の＜１−１００＞方向に沿って形成され、
   前記段差領域の少なくとも一部は、前記導波路に沿って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. 前記段差領域における結晶軸の＜１−１００＞方向の長さは、前記第１領域及び第２領域のうち、前記導波路が延びる方向の長さにおいてバンドギャップエネルギーが大きい領域の方がバンドギャップエネルギーが小さい領域よりも長くなるように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。

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