JP2010212499A

JP2010212499A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2010212499A
Application number: JP2009058249A
Authority: JP
Inventors: Keiji Ichinokura; 啓慈一ノ倉; Masaru Kuramoto; 大倉本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24
Also published as: US8189638B2; US20100232466A1; CN101834406B; CN101834406A

Abstract

【課題】基板側へしみだした光と、活性層を導波する光とのモード結合を抑えることが可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】基板１１およびバッファ層１２と第１ｎ型クラッド層１４との間に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加されたＧａＮよりなる共添加層１３を設ける。共添加層１３の光吸収係数は、ドナーとして働く不純物のみ、またはアクセプタとして働く不純物のみを添加した場合に比べて極めて大きくなる。よって、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を透過して基板１１側へしみだす光は共添加層１３により吸収され、活性層を導波する光とのモード結合が生じない程度に減衰する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大容量光ディスク用の光源などに好適な半導体レーザ素子に関する。

近年、サファイア，ＧａＮまたはＳｉＣなどの基板を用いた窒化物系化合物半導体レーザ素子が大容量光ディスク用の光源として広く使われており、より高出力で信頼性の高い素子の開発が進められている。このような窒化物系化合物半導体レーザ素子は、活性層に対して垂直方向（縦方向）の光の閉じ込めを、光ガイド層やクラッド層を用いて行っている。

しかしながら、光ガイド層やクラッド層を設けても、クラッド層を構成するＡｌＧａＮ混晶は、アルミニウム含有量に対してクラックが発生する膜厚の制約があるので、光閉じ込めを行うに十分な厚さまで成長を行えない場合がある。そのような場合には、活性層で発生した光の一部が基板側へしみだしてしまい、ＦＦＰ（Far Field Pattern ）にリップルが観測されることが報告されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照。）。更に、基板側へしみだした光は、活性層を導波する光との間にモード結合を生じ、これにより集光性を低下させるだけでなくレーザ特性にも影響を与える（例えば、非特許文献３および非特許文献４参照。）。

特開２００７−１５０３７１号公報（段落００４２ないし段落００４４）

「Applied Physics Letters 」，１９９９年，第７５巻，第１９号，ｐ．２９６０−２９６２（ＦＩＧ．５）「IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics」，２００３年，９月／１０月，第９巻，第５号，ｐ．１２５２−１２５９（Fig . ９）「IEEE Journal of Quantum Electronics 」，２００７年，１月，第４３巻，第１号，ｐ．１６−２４（ｐ．２０右欄第２２行〜第３０行）「IEEE Journal of Quantum Electronics 」，２０００年，１２月，第３６巻，第１２号，ｐ．１４５４−１４６１（ｐ．１４６０左欄第２行〜第１３行）「phys. stat. sol.(a) 」，２００２年，第１９２巻，第２号，ｐ．３２９−３３４「Journal of Applied Physics」，２０００年，１２月，第８８巻，第１２号，ｐ．７０２９−７０３６

このようなモード結合を抑えるためには、ｎ型クラッド層の厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら、窒化物系化合物半導体レーザの場合、この方法には、上述したＡｌＧａＮ混晶のクラック発生による膜厚の制約という限界があった。

なお、ちなみに、特許文献１では、ｐ側光ガイド層のみを設けてｎ側光ガイド層を省略することにより、ｎ型ＧａＮ基板側へ光を積極的にしみださせると共に、しみださせた光を、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板の不純物準位を利用して吸収させるようにしている。また、ｎ型ＧａＮ基板と発光層（活性層）との間の距離を調整することで、ｎ型ＧａＮ基板で吸収される光の量を調整することができることも記載されている。

しかしながら、特許文献１のようにｎ型ＧａＮ基板と発光層（活性層）との間の距離を近づけた場合、ただ近づけただけでは、発光層（活性層）を導波する光と、ｎ型ＧａＮ基板側へしみだした光との間でモード結合が生じやすくなってしまうので、光の吸収量を調整することは難しいという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、基板側へしみだした光と、活性層を導波する光とのモード結合を抑えることが可能な半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明による半導体レーザ素子は、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の構成要件を備えたものである。
（Ａ）ＧａＮよりなる基板
（Ｂ）基板の一面側に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に少なくとも一部にアルミニウム（Ａｌ）を含むｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層
（Ｃ）ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の間に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともインジウム（Ｉｎ）およびガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる活性層
（Ｄ）基板およびｎ型クラッド層の間に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加された共添加層

この半導体レーザ素子では、基板およびｎ型クラッド層の間に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加された共添加層が設けられているので、この共添加層の光吸収係数が、ドナーとして働く不純物のみ、またはアクセプタとして働く不純物のみを添加した場合に比べて極めて大きくなっている。よって、ｎ型クラッド層を透過して基板側へしみだす光は共添加層により吸収され、活性層を導波する光とのモード結合を生じない程度に減衰する。

本発明の半導体レーザ素子によれば、基板およびｎ型クラッド層の間に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加された共添加層を設けるようにしたので、ｎ型クラッド層を透過して基板側へしみだす光を共添加層により吸収させることができる。よって、基板側へしみだした光と、活性層を導波する光とのモード結合を抑えることが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面図である。不純物を添加しないアンドープＧａＮ層と、シリコン（Ｓｉ）を添加したＧａＮ層と、マグネシウム（Ｍｇ）を添加したＧａＮ層と、シリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を共添加したＧａＮ層とのそれぞれについて吸収スペクトルを調べた結果を表す図である。図１に示した共添加層の、アクセプタとして働く不純物の添加濃度の分布の一例を表す図である。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）混晶層のアルミニウム組成比ｘと、クラック発生臨界膜厚との関係を表す図である。従来の半導体レーザ素子の構成を表す断面図である。図５に示した従来の半導体レーザ素子の縦構造における屈折率分布を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の縦断面構造を表すものである。この半導体レーザ素子は、例えば、パーソナルコンピュータや家庭用ゲーム機などのＢＤ記録および再生用レーザとして用いられる発振波長約５００ｎｍ以下、例えば４００ｎｍ前後の青・青紫半導体レーザ素子であり、例えば、ＧａＮよりなる基板１１の一面側に、バッファ層１２を介して、共添加層１３，第１ｎ型クラッド層１４，第２ｎ型クラッド層１５，ｎ型ガイド層１６，ｎ側中間層１７，活性層１８，ｐ側中間層１９，電子障壁層２０，ｐ型クラッド層２１およびｐ側コンタクト層２２がこの順に積層された構成を有している。

バッファ層１２は、例えば、厚さが１．００μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。

共添加層１３は、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を透過して基板１１側へしみだす光を吸収するためのものであり、第１ｎ型クラッド層１４に隣接して設けられると共に第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５よりも狭い禁制帯幅を有している。共添加層１３は、例えば、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加されている。これにより、この半導体レーザ素子では、基板１１側へしみだした光と、活性層１８を導波する光とのモード結合を抑えることが可能となっている。

共添加層１３の構成材料としては、ＧａＮまたはＩｎＧａＮ混晶が挙げられ、中でもＧａＮが好ましい。ＩｎＧａＮ混晶は吸収係数を大きくすることができる反面、最適な組成制御が難しく、また、第１ｎ型クラッド層１４の結晶性に影響を及ぼす可能性があるからである。

図２は、不純物を添加しないアンドープＧａＮ層と、シリコン（Ｓｉ）を添加したＧａＮ層と、マグネシウム（Ｍｇ）を添加したＧａＮ層と、シリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を共添加したＧａＮ層とのそれぞれについて吸収スペクトルを調べた結果を表したものであり、表１は、各試料のドーパント濃度と、波長４００ｎｍにおける吸収係数とをまとめたものである（非特許文献７参照。）。

図２および表１から分かるように、シリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を共添加したＧａＮ層では、不純物を単体で添加した他の試料に比べて吸収係数が著しく高くなっている。

このことから、基板１１およびバッファ層１２と第１ｎ型クラッド層１４との間に共添加層１３を設けるようにすれば、第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５の厚さを厚くすることなく、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を透過して基板１１側へしみだす光を吸収することができることが分かる。また、共添加層１３の厚さおよび不純物の添加濃度を調整することにより、光吸収の量が過大にならないようにすることも可能であるので、閾値電流または動作電流が増大しないようにすることができる。ただし、共添加層１３の厚さは、５００ｎｍ以下であることが好ましい。５００ｎｍ以上では、共添加により結晶性が乱れるおそれがあるからである。

共添加層１３の伝導型はｎ型であることが好ましい。また、共添加層１３のキャリア濃度は、２．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）以上１．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下であることが好ましい。２．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）というキャリア濃度は、反転分布を実現するのに必要なキャリアを生成できる下限の値に相当するものである。１．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）という値は、結晶性および光学特性に影響を与えない範囲で共添加層１３へ不純物添加したときに生成しうるキャリア濃度の上限の値に相当する。

共添加層１３の、アクセプタとして働く不純物（例えばマグネシウム（Ｍｇ））の添加濃度は、１．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）以上４．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下であることが好ましい。ＧａＮにマグネシウム（Ｍｇ）を添加したとき、マグネシウム（Ｍｇ）添加濃度とキャリア濃度との関係について以下のことが知られている。マグネシウム（Ｍｇ）添加濃度が４．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下の場合は、マグネシウム（Ｍｇ）添加濃度が高くなるにつれてキャリア濃度が増加する。マグネシウム（Ｍｇ）添加濃度が４．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）でキャリア濃度は最も高くなり、それ以上にマグネシウム（Ｍｇ）を添加するとキャリア濃度は次第に減少していく。ある不純物添加濃度を境に、キャリア濃度が飽和または減少するという現象は他の化合物半導体においても認められるものである。また、キャリア濃度の飽和または減少が認められるまで不純物を添加すると、結晶性が低下する。そういったことから、共添加層１３の、アクセプタとして働く不純物の添加濃度の上限値は４．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）とすることが好ましい。下限値および上限値の範囲内で、所望の吸収量となるように添加濃度を調整すればよい。具体的には５．０×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度とすることができる。なお、このことは、アクセプタとして働く不純物として亜鉛（Ｚｎ）を添加する場合も同様である。

また、共添加層１３の、アクセプタとして働く不純物の添加濃度は、共添加層１３の厚み方向に均一であってもよいが、添加濃度を徐々に上げてもよいし、また徐々に下げてもよい。具体的には、図３に示したように、アクセプタとして働く不純物の添加濃度は、共添加層１３の厚み方向の両端（基板１１との界面近傍または第１ｎ型クラッド層１４との界面近傍）では、共添加層１３の厚み方向の中央よりも低いことが好ましい。アクセプタとして働く不純物（例えばマグネシウム）が基板１１または第１ｎ型クラッド層１４に拡散することを防ぐことが可能となるからである。

共添加層１３の、ドナーとして働く不純物（例えばシリコン（Ｓｉ））の添加濃度は、１．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）以上１．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下であることが好ましい。共添加層１３へはｎ型の伝導性を示すようドナーとして働く不純物（例えばシリコン（Ｓｉ））を添加しなければならない。シリコン（Ｓｉ）添加濃度は、共添加するアクセプタとして働く不純物（例えばマグネシウム（Ｍｇ））の添加濃度との関係により決まる。ドナーとして働く不純物は、共添加層１３のキャリア濃度が２．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）以上１．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下となるように添加しなければならない。具体的には、ドナーとして働く不純物の添加濃度は、２．０×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度とすることができる。

図１に示した第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５は、例えば、組成の異なるＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）混晶により構成されていると共に、任意のアルミニウム組成比ｘに対してクラック発生臨界膜厚を超えない厚さを有することが好ましい。第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５にクラックが発生することを抑えることができ、また、成長時間を短くして生産性を高めることができるからである。更に、第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５の厚さを薄くすることにより、直列抵抗を下げることができるという利点もあるからである。

図４は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）混晶層のアルミニウム組成比ｘと、クラック発生臨界膜厚との関係を表したものであり、非特許文献６に基づいて算出したものである。クラック発生臨界膜厚曲線の上側の領域はクラック発生領域であり、下側の領域は、クラックを発生させずにＡｌＧａＮ層を成長させることが可能な領域である。例えば、アルミニウム組成比ｘを０．０４５、厚さｔを２．５μｍ〜２．６μｍとすることが望ましい。

具体的には、例えば、第１ｎ型クラッド層１４は、厚さが２．４０μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ混晶により構成されている。また、第２ｎ型クラッド層１５は、例えば、厚さが０．２０μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ混晶により構成されている。なお、第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５のアルミニウム組成比を異ならせているのは、活性層１８で発生した光の強度のピークを第１ｎ型クラッド層１４側にずらすことで特性低下を防ぐためである。

図１に示したｎ型ガイド層１６は、例えば、厚さが０．２１μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。図１に示したｎ側中間層１７は、例えば、厚さが０．００５μｍであり、不純物を添加しないアンドープＧａＩｎＮ混晶により構成されている。

図１に示した活性層１８は、例えば、厚さが０．０５６μｍであり、組成の異なるＧａ_xＩｎ_1-xＮ（但し、ｘ≧０）混晶によりそれぞれ形成された井戸層と障壁層との多重量子井戸構造を有している。

図１に示したｐ側中間層１９は、例えば、厚さが０．０２７μｍであり、不純物を添加しないアンドープＧａＩｎＮ混晶により構成されている。図１に示した電子障壁層２０は、例えば、厚さが０．０２μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。図１に示したｐ型クラッド層２１は、例えば、厚さが０．３８μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶層およびｐ型ＧａＮ層の超格子構造を有している。図１に示したｐ側コンタクト層２２は、例えば、厚さが０．１０μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。

図１に示したｐ側コンタクト層２２の上には、ＳｉＯ₂層およびＳｉ層の積層構造を有する埋め込み層２３を間にして、ｐ側電極３１が形成されている。ｐ側電極３１は、例えば、ｐ側コンタクト層２２の側からパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、ｐ側コンタクト層２２と電気的に接続されている。ｐ側電極３１は、また、電流狭窄をするように帯状に延長されており、ｐ側電極３１に対応する活性層１８の領域が発光領域となっている。一方、基板１１の裏面には、ｎ側電極３２が形成されている。ｎ側電極３２は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、基板１１，バッファ層１２および共添加層１３を介して第１ｎ型クラッド層１４と電気的に接続されている。

なお、この半導体レーザ素子では、例えばｐ側電極３１の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより、活性層１８において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。

この半導体レーザは、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、ＧａＮよりなる基板１１を用意し、この基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、上述した材料よりなるバッファ層１２を成長させる。

次いで、同じくＭＯＣＶＤ法により、共添加層１３を成長させる。その際、ガリウムの原料ガスおよび窒素の原料ガスを供給すると共に、シリコンの原料ガスおよびマグネシウムの原料ガスを供給し、ドナーとして働く不純物としてシリコン、アクセプタとして働く不純物としてマグネシウムを共添加した共添加層１３を形成する。

続いて、同じくＭＯＣＶＤ法により、上述した材料よりなる第１ｎ型クラッド層１４，第２ｎ型クラッド層１５，ｎ型ガイド層１６，ｎ側中間層１７，活性層１８，ｐ側中間層１９，電子障壁層２０，ｐ型クラッド層２１およびｐ側コンタクト層２２を成長させる。

なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原料ガスとしては例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、インジウムの原料ガスとしては例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）、窒素の原料ガスとしては例えばアンモニア（ＮＨ₃）をそれぞれ用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）を用い、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）を用いる。

次いで、ｐ側コンタクト層２２上に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用して例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりｐ側コンタクト層２２およびｐ型クラッド層２１の一部を選択的にエッチングして、ｐ型クラッド層２１の上部およびｐ側コンタクト層２２を細い帯状の突条部とする。

続いて、ｐ型クラッド層２１およびｐ側コンタクト層２２の上に、上述した材料よりなる埋め込み層２３を形成し、この埋め込み層２３に、ｐ側コンタクト層２２に対応して開口部を設け、ｐ側電極３１を形成する。更に、基板１１の裏面側を例えばラッピングおよびポリッシングして基板１１の厚さを例えば１００μｍ程度としたのち、基板１１の裏面にｎ側電極３２を形成する。そののち、基板１１を所定の大きさに整え、対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。以上により、図１に示した半導体レーザ素子が完成する。

この半導体レーザでは、ｎ側電極３２とｐ側電極３１との間に所定の電圧が印加されると、活性層１８に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。ここでは、基板１１およびバッファ層１２と第１ｎ型クラッド層１４との間に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加されたＧａＮよりなる共添加層１３が設けられているので、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を透過して基板１１側へしみだす光が共添加層１３により吸収され、活性層１８を導波する光とのモード結合を生じない程度に減衰する。よって、ＦＦＰにリップルが乗らなくなり、安定したレーザ発振が可能となる。

図５は、従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子の断面構成を表したものであり、共添加層を有しないことを除いては本実施の形態の半導体レーザ素子と同一の構成を有している。よって、図１と同一の構成要素には１００番台の同一の符号を付してその説明を省略する。

図６は、図５に示した従来の半導体レーザ素子の縦構造における屈折率分布を表したものである。ＧａＮよりなる基板１１１およびｎ型ＧａＮよりなるバッファ層１１２の屈折率は２．５２、Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ混晶よりなる第１ｎ型クラッド層１１４の屈折率は２．４９４、Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ混晶よりなる第２ｎ型クラッド層１１５の屈折率は２．５１１である。この縦構造で、実効屈折率ｎｅｆｆを計算すると、２．５１４である。

基板１１１側へしみだした光は、第１ｎ型クラッド層１１４および第２ｎ型クラッド層１１５の屈折率が実効屈折率ｎｅｆｆよりも小さい（ｎ＜ｎｅｆｆ）ので、指数減衰（exponential decay ）する。しかし、第１ｎ型クラッド層１１４および第２ｎ型クラッド層１１５の外側には、それらよりも屈折率の高いバッファ層１１２および基板１１１が存在している。そのため、第１ｎ型クラッド層１１４および第２ｎ型クラッド層１１５を抜けたエバネッセント波ｋが、入射角θｉで入射し、バッファ層１１２および基板１１１中を導波する。

このとき、半導体レーザ素子内に導波路が二つあるとみなすことができる。一つは、活性層１１８を中心とするもの（能動的導波路）であり、もう一つはバッファ層１１２および基板１１１（受動的導波路）である。

ここで、エバネッセント波ｋは数１、エバネッセント波ｋの導波路に平行な成分ｋ//は数２、エバネッセント波ｋの導波路に垂直な成分ｋ⊥は数３によりそれぞれ表される。

（式中、λ０は真空中の波長、ｎＧａＮは基板１１１の屈折率を表す。）

（式中、λ０は真空中の波長、ｎｅｆｆは実効屈折率を表す。）

エバネッセント波ｋの導波路に平行な成分ｋ//が、活性層１８内を導波する光ｋ//と等しくなった場合、活性層１１８を中心とする能動的導波路と、バッファ層１１２および基板１１１に形成された受動的導波路との間でモード結合が生じ、バッファ層１１２または基板１１１からスパイク光が数４に示した出射角θｅで出射する。このスパイク光により、ＦＦＰにリップルが発生し、集光性およびレーザ特性に影響を及ぼす。

本実施の形態のように共添加層１３を設けることにより、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を抜けてきたエバネセント波ｋを、共添加層１３により吸収させることができる。よって、第１ｎ型クラッド層１４および第２ｎ型クラッド層１５の厚さを厚くすることなく基板１１側への光のしみだしを抑え、活性層１８を中心とした能動的導波路と、基板１１側にしみだしたエバネッセント波ｋにより形成される受動的導波路との間でのモード結合を抑制し、安定したレーザ発振を可能とすることができる。

このように本実施の形態では、基板１１およびバッファ層１２と第１ｎ型クラッド層１４との間に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加されたＧａＮよりなる共添加層１３を設けるようにしたので、第２ｎ型クラッド層１５および第１ｎ型クラッド層１４を透過して基板１１側へしみだす光を共添加層１３により吸収させることができる。よって、基板１１側へしみだした光と、活性層１８を導波する光とのモード結合を抑えることが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚さ、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚さとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、バッファ層１２ないしｐ側コンタクト層２２をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。

加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ素子の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。

更にまた、本発明は、青・青紫半導体レーザに限らず、より高出力のものや、他の発振波長または他の材料系のものにも適用可能である。

１１…基板、１２…バッファ層、１３…共添加層、１４…第１ｎ型クラッド層、１５…第２ｎ型クラッド層、１６…ｎ型ガイド層、１７…ｎ側中間層、１８…活性層、１９…ｐ側中間層、２０…電子障壁層、２１…ｐ型クラッド層、２２…ｐ側コンタクト層、２３…埋め込み層、３１…ｐ側電極、３２…ｎ側電極

Claims

ＧａＮよりなる基板と、
前記基板の一面側に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に少なくとも一部にアルミニウム（Ａｌ）を含むｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層の間に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともインジウム（Ｉｎ）およびガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる活性層と、
前記基板および前記ｎ型クラッド層の間に設けられ、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなると共に、ドナーとして働く不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）の一方およびアクセプタとして働く不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）の一方が共添加された共添加層と
を備えた半導体レーザ素子。
前記共添加層の伝導型は、ｎ型である
請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記共添加層のキャリア濃度は、１．０×１０¹⁸（ｃｍ^-3）以上１．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下である
請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記共添加層は、前記ｎ型クラッド層に隣接して設けられると共に前記ｎ型クラッド層よりも狭い禁制帯幅を有する
請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記ｎ型クラッド層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）混晶により構成されると共に任意のアルミニウム組成比ｘに対してクラック発生臨界膜厚を超えない厚さを有する
請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記共添加層は、５００ｎｍ以下の厚さを有する
請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記共添加層の、前記アクセプタとして働く不純物の添加濃度は、１．０×１０¹⁷（ｃｍ^-3）以上４．０×１０¹⁹（ｃｍ^-3）以下である
請求項１記載の半導体レーザ素子。