JP2014132652A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 窒化物半導体からなる基板を用いた半導体レーザ素子において、良好に光を閉じ込め、ＦＦＰのリップルを低減することができる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】 ＧａＮからなる基板の上に、窒化物半導体からなり屈折率が基板よりも高い発光層を有する半導体レーザ素子であって、基板と発光層との間に、基板の側から順に、ＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなり、且つ、第２窒化物半導体層より膜厚が大きい第４窒化物半導体層と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。
基板の上に窒化物半導体層を積層した半導体レーザ素子では、活性層を、活性層よりも屈折率の小さい層で挟むことで光を閉じ込めている（例えば、特許文献１及び２）。
特開２００３−０６０３１４号公報 特開２００７−２１４５５７号公報
このような窒化物半導体からなる基板を用いた半導体レーザ素子においては、ＦＦＰ（ｆａｒ ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）のリップルのさらなる低減が求められている。このようなリップルは、基板における光の漏れに起因しており、リップルを低減するためには、基板に抜ける光を低減すればよい。
本発明の実施形態の半導体レーザ素子は、
ＧａＮからなる基板の上に、窒化物半導体からなり屈折率が基板よりも高い発光層を有する半導体レーザ素子であって、
基板と発光層との間に、基板の側から順に、
ＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層と、
第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層と、
ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層と、
第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなり、且つ、第２窒化物半導体層より膜厚が大きい第４窒化物半導体層と、
を有する。
また、本発明の別の実施形態の半導体レーザ素子は、
ＡｌＧａＮからなる基板の上に、窒化物半導体からなり屈折率が基板よりも高い発光層を有する半導体レーザ素子であって、
基板と発光層との間に、基板の側から順に、
ＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層と、
第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層と、
ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層と、
第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなり、且つ、第２窒化物半導体層より膜厚が大きい第４窒化物半導体層と、
を有する。
本発明によれば、窒化物半導体からなる基板を用いた半導体レーザ素子において、良好に光を閉じ込め、ＦＦＰのリップルを低減することができる。
図１は、本発明の一実施形態を説明する模式的な断面図である。 図２は、第１〜４窒化物半導体層の屈折率を示す模式図である。 図３は、本発明の一実施形態における変形例を説明する模式的な断面図である。 図４は、実施例１の半導体レーザ素子の屈折率と電界強度とのシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、比較例１の半導体レーザ素子の屈折率と電界強度とのシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、実施例１および比較例１の半導体レーザ素子の屈折率と電界強度とのシミュレーション結果を示すグラフである。 図７は、実施例１の半導体レーザ素子の垂直方向ＦＦＰ⊥を示すグラフである。 図８は、比較例１の半導体レーザ素子の垂直方向ＦＦＰ⊥を示すグラフである。
以下、本件発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
図１は本発明の一実施形態を説明する模式的な断面図であり、半導体レーザ素子１００の共振器方向と垂直な方向における断面を示す。半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体からなる基板１の上に、窒化物半導体からなる発光層を有する。半導体レーザ素子１００は、基板１の側から順に、ｎ側窒化物半導体層２と、活性層３と、ｐ側窒化物半導体層４とが設けられている。活性層３は、例えば図２に示すように、障壁層３ｂ，３ｃ，３ｄと井戸層（発光層）３ａとが交互に配置されている。ｐ側窒化物半導体層４の表面にはリッジ４ａが設けられ、リッジ４ａに対応する活性層３及びその近傍に導波路領域が形成されている。リッジ４ａの側面とリッジ４ａの側面から連続するｐ側窒化物半導体層４の表面には第１絶縁膜５ａが設けられており、第１絶縁膜５ａ上には第１絶縁膜５ａの一部を被覆する第２絶縁膜５ｂが設けられている。ｐ側窒化物半導体層４の表面にはｐ電極６およびパッド電極７が設けられ、基板１の裏面にはｎ電極８が設けられている。
発光層を含む活性層３と基板１との間には、基板１の側から順に、第１窒化物半導体層２１、第２窒化物半導体層２２、第３窒化物半導体層２３、第４窒化物半導体層２４を含む。図２は、各層の屈折率を示す模式図である。なお、図２の模式図は、屈折率を説明するためのものであり、後述する実施例１とは層構成や膜厚が一部異なる。また、ｐ側窒化物半導体層４および第５，６窒化物半導体層２５，２６は省略した。
図２に示すように、屈折率は、第１〜４窒化物半導体層２１〜２４のいずれも発光層３ａより低いが、その中で第３窒化物半導体層２３が最も高い屈折率を有している。さらに、第２窒化物半導体層２２および第４窒化物半導体層２４の屈折率は、第１窒化物半導体層２１の屈折率よりも低い。また、基板１の屈折率は、発光層３ａの屈折率より低く、第１窒化物半導体層２１の屈折率よりも高い。
図４に、後述する実施例１の半導体レーザ素子における屈折率と電界強度とのシミュレーション結果を示す。図４におけるｎ側窒化物半導体層２の層構造は、図３に示す層構造と対応しており、図４における横軸は、半導体層の最上面（ｐ電極側）を０ｎｍとしたときの積層方向における膜厚、すなわち、半導体層の最上面（ｐ電極側）を０ｎｍとしたときの深さ方向の位置をその位置より上にある半導体層の膜の厚さで示しており、数字が大きいほど基板に近い。右側の縦軸は屈折率を示し、左側の縦軸は電界強度を示す。電界強度は、最大値を１として相対値で示す。電界強度は光の強度に対応するものであり、基板における電界強度の低減は、基板へ抜ける光の低減を示す。すなわち、基板における電界強度が低くなっていれば、基板へ抜ける光が低減されたことを示す。なお、後述するように、実施例１の半導体レーザ素子では、基板に接して設けられた第６窒化物半導体層２６は、基板と同じ屈折率の層であるので、第６窒化物半導体層２６と基板間での電界強度差は極めて小さく、第６窒化物半導体層２６において電界強度が低減されていれば、同じように基板において電界強度が低減されていると考えることができる。
本実施形態では、基板１の上に第１窒化物半導体層２１が設けられ、この第１窒化物半導体層２１と発光層との間にさらに第２〜４窒化物半導体層２２〜２４が特定の順序で設けられている。以上のように構成された実施形態の半導体レーザ素子では、図２に示すような屈折率分布になる。以上の構成において、発光層を含む活性層３からの光は、活性層３とＡｌＧａＮからなる低屈折率の第４窒化物半導体層２４との屈折率差によって閉じ込められ、さらに、ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層２３とＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層２２との屈折率差によって閉じ込められる。第３窒化物半導体層２３は、ＩｎＧａＮからなる高屈折率の層であるので第３窒化物半導体層２３内における電界強度の減衰は小さく光が溜まりやすい。このことは、図４の電界強度を示すグラフにおいて、第３窒化物半導体層２３に対応する部分でグラフの傾きが小さくなっていることから理解できる。このように、第３窒化物半導体層２３を第２窒化物半導体層２２の発光層側に設けることで、第３窒化物半導体層２３と第２窒化物半導体層２２との屈折率差によって光を効果的に閉じ込めることが可能になる。言い換えると、第２窒化物半導体層２２を設けたことによる光の閉じ込め量を大きくすることができる。尚、図４に示すように、活性層３と第４窒化物半導体層２４の間に、例えば、活性層３との間の屈折率差が小さいＩｎＧａＮからなる第５窒化物半導体層２５を設けた場合であっても、活性層３と第５窒化物半導体層２５間の屈折率差が小さいので、発光層を含む活性層３からの光は、第５窒化物半導体層２５と第４窒化物半導体層２４との屈折率差によって閉じ込められる。以上のように、特定の順序で設けられた第２〜４窒化物半導体層２２〜２４を含む本実施形態の構成によれば、基板に達する電界強度が効率的に減衰されるので、基板１への光の抜けを低減することができ、ＦＦＰのリップルを低減することができる。
本実施形態では、第４窒化物半導体層２４の膜厚を第２窒化物半導体層２２の膜厚より大きくし、第４窒化物半導体層２４と第２窒化物半導体層２２との間に第３窒化物半導体層２３を配置している。上述のように第３窒化物半導体層２３が光の溜まりやすい層であることを利用してＦＦＰのリップルを低減することができるが、一方で、第３窒化物半導体層２３を活性層（発光層）の近くに配置すると、電界強度のピーク位置が第３窒化物半導体層２３側へ移動し、つまり電界強度のピーク位置が基板１側へ移動する。加えて、第３窒化物半導体層２３が電界強度のピークの近くにあるため、第３窒化物半導体層２３における電界強度が極めて大きくなる。このため、ＦＦＰの対称性が崩れる虞がある。
そこで、本実施形態では、第４窒化物半導体層２４の膜厚を第２窒化物半導体層２２より大きくし、これらの間に第３窒化物半導体層２３を配置する。これによって、第２窒化物半導体層２２による光閉じ込め効果を得ることができると共に、第３窒化物半導体層２３の活性層（発光層）への過度の接近を防止でき、電界強度ピーク位置の基板１側への移動を抑制することができる。よって、ＦＦＰのリップルを効果的に低減することができると共にＦＦＰの対称性を維持することができる。加えて、第４窒化物半導体層２４は低屈折率の層であるため、電界強度を第３窒化物半導体層２３に到達するまでに減衰させることができ、第３窒化物半導体層２３における電界強度の過度の集中を防止することができる。この点も電界強度ピーク位置の基板１側への移動抑制のために好ましい。
また、電界強度のピーク位置が基板１側へ移動すると、ピーク位置の発光層からのずれが大きくなり、発光層における電界強度が小さくなるため、閾値の上昇や量子効率の低下を引き起こすことがある。本実施形態では、上述の構成によって電界強度ピーク位置の基板１側への移動を抑制することができるので、閾値の上昇や量子効率の低下を抑制することができる。
また、半導体層を積層する前の基板１表面には通常、加工時に発生するスクラッチ等のダメージ層、表面汚染による不純物等が存在している。このような基板１上に直接Ａｌ組成比が大きいＡｌＧａＮを積層すると、ＡｌＧａＮはＡｌ組成比の増加に伴って表面マイグレーションが低下するために、基板１表面に存在するダメージ層や不純物の影響を受けやすく表面平坦性が悪化する。このような表面平坦性の悪化は、その上に成長される層に影響を及ぼし、レーザ素子の量子効率の低下や、信頼性の低下、歩留まりの低下を引き起こす。そこで、本実施形態では、低屈折率のＡｌＧａＮ層である第２窒化物半導体層２２、つまりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮ層である第２窒化物半導体層２２の基板１側に、第２窒化物半導体層２２よりもＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮ層である第１窒化物半導体層２１を設ける。これによって、基板１表面のスクラッチや不純物等による第２窒化物半導体層２２への影響を緩和することができ、その上の発光層側の層へ影響が引き継がれることを抑制できるため、レーザ素子の量子効率低下や信頼性低下、歩留り低下を抑制することができる。
また、基板１と第２窒化物半導体層２２の格子定数差が大きいと、クラックが発生しやすい。このため、本実施形態では、ＧａＮからなる基板１とＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層２２との間に、基板１の格子定数と第２窒化物半導体層２２の格子定数の間の格子定数を有するＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮ層である第１窒化物半導体層２１を設ける。これによって、クラックの発生を抑制することができる。基板１がＡｌＧａＮである場合も同様である。つまり、Ａｌ組成比が小さいＡｌＧａＮからなる基板１とＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層２２との間に、Ａｌ組成比が基板１より大きく第２窒化物半導体層２２より小さいＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層２１を設けることで、クラックの発生を抑制することができる。
図５は、比較例１の半導体レーザ素子について、屈折率および電界強度のシミュレーション結果を示す図である。比較例１は、実施例１における第３窒化物半導体層２３および第２窒化物半導体層２２の配置を入れ替えた以外は、実施例１と同様である。また、図６は、図４に示した実施例１の屈折率および電界強度と、図５に示した比較例１の屈折率および電界強度とを１つの図に表したグラフである。図６において、太線が実施例１であり、細線が比較例１である。電界強度は発光強度に対応するものであり、基板における電界強度の低減は、基板へ抜ける光の低減を示す。なお、実施例１および比較例１の半導体レーザ素子では、第６窒化物半導体層２６は基板に接して設けられた基板と同じ屈折率の層であるので、第６窒化物半導体層２６における電界強度の低減を基板における電界強度の低減とみなすことができる。
尚、実施例１および比較例１において、ｐ側窒化物半導体層４は、活性層側から比較的Ａｌ組成比の大きいＭｇドープのＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、比較的Ａｌ組成比の大きいＭｇドープのＡｌＧａＮ層、ＭｇドープＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層、ＭｇドープＧａＮ層を備えている。
図６において破線の円で囲み示した部分が、第６窒化物半導体層２６における電界強度である。これに着目すると、実施例１の構成とすることで、比較例１の場合よりも第６窒化物半導体層２６における電界強度が低減していることがわかる。第６窒化物半導体層２６における電界強度の低減はつまり基板における電界強度の低減であって、基板へ抜ける光の低減に対応する。よって、実施例１の構成とすることで、比較例１よりも基板へ抜ける光を低減させることができる。これについてさらに詳しく説明すると、以下のとおりである。
図４〜６に示すように、低屈折率の第２窒化物半導体層２２および第４窒化物半導体層２４において電界強度が減衰することと、その減衰曲線の傾き（すなわち減衰率）は、実施例１のレーザ素子および比較例１のレーザ素子の間に差はない。また、高屈折率の第３窒化物半導体層２３において電界強度が停滞するという傾向は、実施例１および比較例１のレーザ素子に共通している。すなわち、第３窒化物半導体層２３において実施例１では、減衰曲線の傾き（減衰率）が小さくなっており、比較例１ではむしろ増加している。しかし、実施例１のレーザ素子は、第２窒化物半導体層２２が第３窒化物半導体層２３の基板１側に配置されているので、これによって第３窒化物半導体層２３に溜まった電界強度を大きく減衰させることができる。したがって、実施例１のレーザ素子は、比較例１よりも、基板１に達するまでに電界強度を低減することができ、基板への光の抜けを低減することが可能となっている。また、実施例１では、第３窒化物半導体層２３の発光層側に設ける第４窒化物半導体層２４の膜厚を第２窒化物半導体層２２よりも厚くしており、電界強度のピーク位置はほぼ移動しておらず、比較例１とほぼ同様の位置で維持されている。
以下、各部材について詳述する。
（基板１）
基板１としては、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを用いる。典型的にはＧａＮを用いる。ＧａＮまたはＡｌＧａＮのような窒化物半導体基板を用いる場合は、サファイア基板のような異種基板を用いる場合と比較して、基板上に形成された窒化物半導体層と基板との屈折率差が小さいため、窒化物半導体層と基板との屈折率差による光の反射が少なく、光が基板へしみ出しやすい。そこで、本実施形態では、第１〜４窒化物半導体層２１〜２４を設けることにより窒化物半導体層内に光を閉じ込めて、基板への光の漏れを抑制し、リップルを低減している。
また、基板としてＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板を用いる場合に、発振波長（ピーク波長）を４８０ｎｍ以上とするなど長波長化させた半導体レーザ素子では、発光層からの光に対する基板の吸収量が低下し、基板へしみ出した光が基板で吸収されず素子外へ取り出されやすい。これは以下の理由による。つまり、発光層のバンドギャップエネルギーが大きく（ＩｎＧａＮ発光層の場合はＩｎ組成比が小さく）、基板とのバンドギャップエネルギー差が小さい場合は、発光層からの光が基板に吸収されやすく、光が基板へしみ出したとしても基板で吸収され、素子外へ取り出され難い。しかし、発光層のバンドギャップエネルギーが小さく（ＩｎＧａＮ発光層の場合はＩｎ組成比が大きく）、基板とのバンドギャップエネルギー差が大きいほど、発光層からの光は基板で吸収され難く、基板へしみ出した光は基板で吸収されずに素子外へ取り出されやすい。
よって、発振波長が４８０ｎｍ以上の半導体レーザ素子においてＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板を用いる場合は特に、リップル対策として基板への光の漏れを低減することが重要であるので、本実施形態の第１〜４窒化物半導体層２１〜２４を設けることが好ましい。また、例えば発光層がＩｎＧａＮであれば、基板としてＧａＮを用いる場合の方がＡｌＧａＮを用いる場合よりも基板と発光層とのバンドギャップエネルギーが近い。つまり、ＧａＮ基板を用いる場合の方が、発振波長が４８０ｎｍ以上であるか否かで基板における発光層からの光の吸収量が変化しやすい。このため、ＧａＮ基板を用いる場合に本実施形態の第１〜４窒化物半導体層２１〜２４を設けることがより好ましい。
また、基板１の厚みは、通常、発光層および第１〜４窒化物半導体層２１〜２４を含む半導体積層部よりも厚い。このため基板１への光の漏れがＦＦＰに影響を与えやすく、本実施形態のように基板１への光の漏れを低減することでＦＦＰのリップルを低減することができる。基板１の厚みは、具体的には３０μｍ以上とすることが好ましく、さらには５０μｍ以上とすることが好ましい。また、基板１の厚みの上限は劈開ができる程度の厚みとすることが好ましく、具体的には１５０μｍ以下とすることが好ましく、さらには１００μｍ以下とすることが好ましい。
（第１〜４窒化物半導体層２１〜２４）
図１に示す半導体レーザ素子では、基板１上に、基板１の側から順に、第１〜４窒化物半導体層２１〜２４が互いに接して設けられている。第１，２窒化物半導体層２１，２２はＡｌＧａＮからなり、基板１よりも低屈折率である。ＡｌＧａＮはＡｌ組成比が大きいほど低屈折率である。第２窒化物半導体層２２を構成するＡｌＧａＮは、第１窒化物半導体層２１を構成するＡｌＧａＮよりもＡｌ組成比が大きいものとし、第２窒化物半導体層２２を低屈折率の層とする。具体的には、第２窒化物半導体層２２は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）とする。第２窒化物半導体層２２は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．０４＜Ｘ≦０．１）であることが好ましく、さらにはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０．０６≦Ｘ≦０．１）であることが好ましい。第１窒化物半導体層２１は、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜Ｘ）であり、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦０．０４）であることが好ましい。このような組成範囲は、半導体レーザ素子の発振波長が４８０ｎｍ以上である場合に特に好ましく、さらには好ましくは４８０〜５５０ｎｍ、より好ましくは５０５〜５５０ｎｍのピーク波長のレーザ光を発振する半導体レーザ素子に用いる。また、第４窒化物半導体層２４の材料は、第２窒化物半導体層２２と同じ組成範囲のＡｌＧａＮを用いることができる。さらには、第４窒化物半導体層２４および第２窒化物半導体層２２は実質的に同じ組成のＡｌＧａＮからなる層とすることができる。
第２，４窒化物半導体層２２，２４に用いるようなＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮ層を単層で設けて十分な光閉じ込め効果を得ようとすると、ある程度厚くする必要があるが、そうするとクラックが発生しやすい。本実施形態のように第４窒化物半導体層２４および第２窒化物半導体層２２の２層に分割して設けることで、比較的薄膜で十分な光閉じ込め効果を得ることができる。典型的には、同程度の光閉じ込め効果を得るための膜厚は、第４窒化物半導体層２４および第２窒化物半導体層２２の合計膜厚が、単層で設ける場合と同程度かそれよりも小さい膜厚でよい。このため、良好に光を閉じ込めるとともに、クラックの発生を抑制することができる。
また、Ａｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層２２は、その膜厚を大きくするとクラックが発生しやすい。しかしながら、ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層２３の上に設けられる第４窒化物半導体層２４であれば、第２窒化物半導体層２２と同程度にＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮとした場合であっても、クラックを発生させずに膜厚を大きくすることができる。よって、リップルの低減およびクラックの発生抑制のためには、第４窒化物半導体層２４の膜厚を第２窒化物半導体層２２の膜厚よりも大きくすることが好ましく、第４窒化物半導体層２４は、第２窒化物半導体層２２と同様に、第１窒化物半導体層２１よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮとすることが好ましい。
さらには、２層のＡｌＧａＮ層に挟まれた第３窒化物半導体層をＩｎＧａＮとすることで、ＡｌＧａＮ層の応力を緩和することができ、クラックの発生をさらに抑制することができる。第３窒化物半導体層２３は、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）であり、好ましくはＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０．０２≦Ｚ≦０．０６）とする。このような組成範囲は、第２，４窒化物半導体層２２，２４を上述の組成範囲のＡｌＸＧａ１−ＸＮで構成する場合に特に適している。また、第３窒化物半導体層２３は、活性層３を構成する井戸層３ａ（発光層）がＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）であり、最も基板側に配置された障壁層３ｂがＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜ａ）である場合に、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（ｂ≦Ｚ＜ａ）とすることが好ましい。
半導体レーザ素子が後述する量子井戸構造の活性層３を有する場合には、第１，２，４窒化物半導体層２１，２２，２４は、少なくとも発光層（井戸層３ａ）よりも屈折率が低い層である。光閉じ込めの効果を得るためには、障壁層３ｂ〜３ｄよりも屈折率が低い層であることが好ましい。障壁層が複数ある場合には、最も基板側の障壁層３ｂよりも低屈折率であることが好ましく、障壁層３ｂ〜３ｄのいずれの層よりも低屈折率であることがさらに好ましい。また、第２，４窒化物半導体層２２，２４をこのような低屈折率の層とする一方で、第１窒化物半導体層２１を障壁層３ｂ〜３ｄと同程度かそれよりも屈折率が高い層とすることもできる。また、第３窒化物半導体層２３は、基板１より屈折率が高く、且つ発光層３ａより屈折率が低い層とすることができ、障壁層３ｂ〜３ｄよりも屈折率が高い層としてもよい。
第１〜４窒化物半導体層２１〜２４を光を閉じ込めるための層とし、その効果を得るためには、第１〜４窒化物半導体層２１〜２４をある程度の厚みを有する層とすることが好ましく、具体的にはそれぞれ１０ｎｍより大きいことが好ましい。さらに、第２窒化物半導体層２２は、１００ｎｍ以上の膜厚であることが好ましく、１μｍ以下の膜厚とすることができる。上述の組成範囲のＡｌＧａＮを用いる場合は、このような膜厚範囲とすることでクラックの発生を抑制することができる。さらに好ましくは、３００ｎｍ以上、８００ｎｍ以下とする。第４窒化物半導体層２４の膜厚は、第２窒化物半導体層２２と同様の膜厚範囲で設定することができる。このような膜厚範囲とすることで、第２窒化物半導体層２２と同様の組成範囲を採用してＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層とした場合にクラックの発生を抑制することができるので好ましい。また、第４窒化物半導体層２４の膜厚は第２窒化物半導体層２２の膜厚よりも大きいことが好ましく、その膜厚の差は、例えば１０ｎｍ以上、さらには２００ｎｍ以上とすることができる。
第１窒化物半導体層２１は、その膜厚が第２，４窒化物半導体層２２，２４の少なくとも一方の膜厚よりも大きいことが好ましい。第１窒化物半導体層２１は第２窒化物半導体層２２よりも高屈折率であるため、好ましくは、第１窒化物半導体層２１の膜厚を第２窒化物半導体層２２の膜厚よりも大きくし、光の閉じ込め作用を向上させる。第４の窒化物半導体層２４に対しても同様であり、第１窒化物半導体層２１の膜厚を第４窒化物半導体層２４の膜厚より大きくすることで光の閉じ込め作用を向上させることができ、好ましい。さらに好ましくは、第１窒化物半導体層２１の膜厚を、第２，４窒化物半導体層２２，２４の膜厚を合計した合計膜厚よりも大きい膜厚とする。第１窒化物半導体層２１の膜厚は、好ましくは１００ｎｍ以上、さらに好ましくは５００ｎｍ以上、より一層好ましくは１μｍ以上とする。また、第１窒化物半導体層２１の膜厚は、５μｍ以下であることが好ましく、さらには３μｍ以下であることが好ましい。
第３窒化物半導体層２３は、光が溜まりやすい程度に大きい膜厚を有することが好ましく、具体的には５０ｎｍ以上、さらには１００ｎｍ以上であることが好ましく、１μｍ以下とすることができる。第３窒化物半導体層２３に光を溜めることで、これと接する第２窒化物半導体層２２との屈折率差によって効率的に光を閉じ込めることができる。また、第３窒化物半導体層２３における光の過度の集中を避けるためには、第３窒化物半導体層２３の膜厚は少なくとも第２窒化物半導体層２２の膜厚よりも小さいことが好ましく、さらには第１，２，４窒化物半導体層２１，２２，２４のいずれの膜厚よりも小さいことが好ましい。具体的には３００ｎｍ以下とすることができる。
第１〜４窒化物半導体層２１〜２４と活性層３との間や、第１〜４窒化物半導体層２１〜２４と基板１との間に、別の層を設けることもできる。図３は、本実施形態における変形例を説明する模式的な断面図である。図３に示すように、半導体レーザ素子は、第４窒化物半導体層２４と活性層３（発光層３ａ）との間に第５窒化物半導体層２５を設けてもよく、また、第１窒化物半導体層２１と基板１との間に第６窒化物半導体層２６を設けてもよい。第５窒化物半導体層２５は、活性層３のうち最も基板側の障壁層３ｂに接して設けることができ、この障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい層とすることができる。第６窒化物半導体層２６は、基板１と同じ組成とすることができる。
上述のように本実施形態の構成を用いてクラックの発生を抑制することで、基板の採用の幅が広がるという利点もある。ＧａＮなどの窒化物半導体からなる基板としては、例えば高転位密度領域と低転位密度領域とが混在した基板が知られているが、このような基板のうち、高転位密度領域がストライプ状に分布している基板であれば、クラックが発生したとしても高転位密度領域によってその進展が阻止されるため、歩留まりへの影響は小さい。しかし、高転位密度領域がドット状に分布している基板や、高転位密度領域が存在しない基板を用いる場合は、基板中の高転位密度領域の割合が小さいかもしくは存在しないため、クラックが広範囲に進展しやすい。クラックの発生を抑制することによって、このような基板を用いた場合においても、高転位密度領域がストライプ状に分布している基板を用いた場合と同程度の歩留まりを維持することが可能となる。
（ｎ側窒化物半導体層２、ｐ側窒化物半導体層４）
ｐ側窒化物半導体層４は、Ｍｇ等のｐ型不純物が含有されたｐ型窒化物半導体層を含み、ｎ側窒化物半導体層２は、Ｓｉ等のｎ型不純物が含有されたｎ型窒化物半導体層を含む。第１〜４窒化物半導体層２１〜２４は、上述したようにある程度の厚みを有することが好ましいため、例えばｎ側窒化物半導体層２として設ける場合は、Ｓｉ等のｎ型不純物が含有されたｎ型窒化物半導体層であることが好ましい。
（活性層３）
活性層３は発光層を含む層であり、井戸層（発光層）と、これを挟む障壁層とを備えた量子井戸構造とすることが好ましく、例えば図２に示すように、複数の障壁層３ｂ，３ｃ，３ｄと複数の井戸層３ａとが交互に積層された多重量子井戸構造とすることができる。井戸層としては、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）を用いることができ、障壁層としては、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＮ、ＧａＮ、又はＡｌＧａＮ等を用いることができる。
本実施形態の半導体レーザ素子は、その発振波長（ピーク波長）が４８０ｎｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは４８０〜５５０ｎｍ、より好ましくは５０５〜５５０ｎｍとする。ピーク波長が４８０ｎｍ以上のレーザ光を発振するレーザ素子の井戸層としては、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０．１８≦ａ＜１）を用いることが好ましく、ピーク波長が４８０〜５５０ｎｍのレーザ光を発振するレーザ素子の井戸層としては、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０．１８≦ａ≦０．３５）を用いることが好ましく、ピーク波長が５０５〜５５０ｎｍのレーザ光を発振するレーザ素子の井戸層としては、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０．２≦ａ≦０．３５）を用いることが好ましい。このとき、障壁層としては、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜０．１８）を用いることが好ましい。
半導体レーザ素子の発振波長が長くなると、屈折率の波長分散により光を閉じ込めにくくなる。窒化物半導体の波長に対する屈折率の変化は正規分布様であってそのピーク位置は組成によって異なっており、同じ波長域における波長に対する屈折率の変化の度合いは組成によって異なる。例えば、ＧａＮもＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎも共に、４００ｎｍの波長に対する屈折率より５００ｎｍの波長に対する屈折率の方が小さいが、その減少の度合いはＧａＮの方が大きい。つまり、４００ｎｍから５００ｎｍにかけてＧａＮの屈折率は大きく減少し、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎの屈折率は小さく減少する。ＧａＮの屈折率はＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎよりも大きいので、波長が長くなるほどＧａＮとＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎとの屈折率差は縮小し、４００ｎｍの波長に対する場合よりも５００ｎｍの波長に対する場合の方が屈折率差は小さくなる。
このような屈折率の波長分散のため、発振波長が長くなるほど各層間の屈折率差を大きくすることが難しく、光閉じ込めが弱くなる傾向がある。よって、本実施形態の構成は特に、発振波長が４８０ｎｍ以上、さらに好ましくは４８０〜５５０ｎｍ、より好ましくは５０５〜５５０ｎｍの半導体レーザ素子に用いることが好ましい。
また、このようなＩｎ組成比が大きいＩｎＧａＮからなる井戸層を用いる場合には、この井戸層と主な障壁層（例えば膜厚数ｎｍ程度のＧａＮ層）との間に、これらの間の格子定数を有するＩｎ組成比小のＩｎＧａＮを設けることができる。このＩｎＧａＮの厚みは例えば数オングストローム程度である。また、井戸層の基板側にＳｉドープ層（例えば膜厚１０ｎｍ程度のＳｉドープＧａＮ層）を設ける場合は、このＳｉドープ層の基板１側に同組成のアンドープ層（例えば膜厚数ｎｍ程度のＧａＮ層）を設けることができる。このアンドープ層はＳｉドープ層で挟まれていてもよい。例えば、基板１上にｎ型窒化物半導体層を形成後、数百ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、１ｎｍ程度のＳｉドープＧａＮ、数ｎｍのＧａＮ、１０ｎｍ程度のＳｉドープＧａＮ、数オングストロームのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、数ｎｍのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（井戸層）、数オングストロームのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、数ｎｍのＧａＮ、をこの順に形成することができる。
（実施例１）
実施例１として、ｎ型ＧａＮ基板上に発光層を有し、ピーク波長が約５０５ｎｍのレーザ光を発振する半導体レーザ素子を作製した。下面（ｎ型ＧａＮ基板の裏面）にはｎ電極が設けられ、上面にはｐ電極が設けられている。実施例１の半導体レーザ素子は、基板１の側から順に、ＳｉドープＧａＮ層（第６窒化物半導体層２６）、約２０００ｎｍのＳｉドープＡｌ０．０１８Ｇａ０．９８２Ｎ層（第１窒化物半導体層２１）、約４００ｎｍのＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第２窒化物半導体層２２）、約１５０ｎｍのＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第３窒化物半導体層２３）、約６００ｎｍのＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第４窒化物半導体層２４）、ＳｉドープＧａＮ層（第５窒化物半導体層２５）、ＳｉドープＩｎＧａＮ障壁層、ＳｉドープＧａＮ障壁層、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ井戸層（発光層）、ＧａＮ障壁層、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ井戸層（発光層）、ＩｎＧａＮ障壁層、ＭｇドープＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＭｇドープＡｌＧａＮ層、ＭｇドープＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層、ＭｇドープＧａＮ層、を備える。
図４および図５に、実施例１および比較例１の半導体レーザ素子の屈折率と電界強度とのシミュレーション結果を示す。比較例１の半導体レーザ素子は、第２窒化物半導体層および第３窒化物半導体層の位置を入れ替えた以外は実施例１と同様である。なお、数ｎｍ〜十数ｎｍ程度の薄膜であるため図４および図５では判別し難いが、井戸層（発光層）は２層あり、最表面（膜厚０ｎｍ近傍）にはＭｇドープＧａＮ層がある。図４および図５に示すように、第１窒化物半導体層２１の下に設けられた第６窒化物半導体層２６における電界強度は、実施例１が約２×１０−７であり、比較例１が約４．７×１０−７である。実施例１の構造とすることで、第６窒化物半導体層２６における電界強度を比較例１の半分以下とすることができ、基板への光のしみ出しを低減することができる。
なお、実施例１および比較例１のレーザ素子において、第６窒化物半導体層２６はＧａＮ基板の上面に接して設けられたＧａＮ層であり、つまり、基板と接する基板と同じ屈折率の層である。このため、第６窒化物半導体層２６による電界強度の変化は極めて小さく、第６窒化物半導体層２６における電界強度の低減を基板における電界強度の低減とみなすことができる。
また、実施例１および比較例１の半導体レーザ素子における半導体層積層方向のＦＦＰ、つまり活性層３（発光層）に対して垂直方向のＦＦＰを測定した。実施例１の半導体レーザ素子における垂直方向ＦＦＰを図７に示し、比較例１の半導体レーザ素子における垂直方向ＦＦＰを図８に示す。図７および図８において、左側がｐ電極側であり、右側がＧａＮ基板側である。比較例１の半導体レーザ素子では２０度付近に大きなリップルが確認されたが、実施例１の半導体レーザ素子とすることでリップルを低減することができた。
１００ 半導体レーザ素子
１ 基板
２ ｎ側窒化物半導体層
２１ 第１窒化物半導体層
２２ 第２窒化物半導体層
２３ 第３窒化物半導体層
２４ 第４窒化物半導体層
２５ 第５窒化物半導体層
２６ 第６窒化物半導体層
３ 活性層
３ａ 井戸層（発光層）、３ｂ，３ｃ，３ｄ 障壁層
４ ｐ側窒化物半導体層
４ａ リッジ
５ａ 第１絶縁膜、５ｂ 第２絶縁膜
６ ｐ電極
７ パッド電極
８ ｎ電極

Claims (9)

  1. ＧａＮからなる基板の上に、窒化物半導体からなり屈折率が前記基板よりも高い発光層を有する半導体レーザ素子であって、
    前記基板と前記発光層との間に、前記基板の側から順に、
    ＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層と、
    ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなり、且つ、前記第
    ２窒化物半導体層より膜厚が大きい第４窒化物半導体層と、を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. ＡｌＧａＮからなる基板の上に、窒化物半導体からなり屈折率が前記基板よりも高い発光層を有する半導体レーザ素子であって、
    前記基板と前記発光層との間に、前記基板の側から順に、
    前記基板よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第１窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなる第２窒化物半導体層と、
    ＩｎＧａＮからなる第３窒化物半導体層と、
    前記第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなり、且つ、前記第
    ２窒化物半導体層より膜厚が大きい第４窒化物半導体層と、を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  3. 前記半導体レーザ素子は、ピーク波長が４８０ｎｍ以上のレーザ光を発振する半導体レーザ素子であ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素子。
  4. 前記第２窒化物半導体層及び前記第４窒化物半導体層は、膜厚が１００ｎｍ以上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素子。
  5. 前記第３窒化物半導体層は、膜厚が５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記第１窒化物半導体層は、膜厚が１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記第１窒化物半導体層の膜厚は、前記第２窒化物半導体層及び前記第４窒化物半導体層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記第１窒化物半導体層の膜厚は、前記第２窒化物半導体層及び前記第４窒化物半導体層の合計膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記発光層は井戸層であり、前記井戸層を挟む障壁層をさらに有し、
    前記第１窒化物半導体層、前記第２窒化物半導体層及び前記第４窒化物半導体層は、前記障壁層より屈折率が低い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素子。
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