JP2019091801A - 窒化物半導体レーザ素子 - 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、クラックの発生を抑制しながら良好に光を閉じ込め、ファーフィールドパターンのリップルを低減する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子１は、窒化物半導体基板１１と、ｎ側クラッド層１３との間に、順に、ＡｌＧａＮ層の第１の窒化物半導体層１２１と、第１の窒化物半導体層１２１よりＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮ層の第２の窒化物半導体層１２２と、ＧａＮ層の第３の窒化物半導体層１２３と、ＩｎＧａＮ層の第４の窒化物半導体層１２４と、ＡｌＧａＮ層の第５の窒化物半導体層とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。
半導体レーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このようなレーザ光源には、たとえば、ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体レーザ素子を適用することができる。
従来、図２に示すように、ＧａＮ基板２００上には、有機金属気相成長法によって、バッファ層２０１、ｎ側クラッド層２０２、ｎ側光ガイド層２０３、活性層（発光層）２０４、ｐ側キャップ層２０５、ｐ側光ガイド層２０６、ｐ側クラッド層２０７、およびｐ側コンタクト層２０８等が成長させられ、ｎ側およびｐ側各電極２０９、２１０を備えた窒化物半導体レーザ素子の積層構造が形成されている（例えば特許文献１参照）。ｎ側クラッド層２０２およびｐ側クラッド層２０７は、ＡｌＧａＮ単膜、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造とされている。
このような構成により、窒化物半導体レーザ素子の活性層２０４では、ｎ側層から注入される電子とｐ側層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ側クラッド層２０２およびｐ側クラッド層２０７の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
特開２００６−１６５４５３号公報
従来、発振波長が４６０ｎｍ以上であるような波長帯域においては、窒化物半導体レーザ素子の活性層内で、光の閉じ込め率が低下するという問題があった。この光閉じ込め率の低下は、閾値電流密度の増大をもたらすものとなる。窒化物半導体レーザ素子では、波長が長くなるにつれて、クラッド材料として利用されているＡｌＧａＮと、光ガイド材料として利用されているＧａＮとの屈折率差が小さくなるからであると考えられる。
また、ＧａＮ基板はレーザー素子の上下にｎ側電極とｐ側電極を載置でき、放熱性、襞開性に優れるが、前記従来構造では、ＧａＮ層の格子定数でコヒーレント成長した構造に対して、ＧａＮに比べて格子定数が小さいＡｌＧａＮ層を前記構造内に形成すると引っ張り歪みを生じる。それにより、クラックが入ってしまい、平坦な劈開面が出ないといった課題を有していた。とりわけ４９０ｎｍ〜５３０ｎｍの緑色の波長帯域では、活性層のＩｎ組成比が高いため、発光効率の良い活性層を積層するのが難しく、これにより閾値電流や閾値電圧が上がり、寿命が低下してしまう課題があった。
加えて、前記ＧａＮ基板を用いた半導体レーザ素子においては、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ：ｆａｒ ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ）のリップルのさらなる低減が求められた。このようなリップルは、ＧａＮ基板への自然放出光の染み出しに起因すると考えられ、リップルの低減のためには、ＧａＮ基板に抜ける光を低減させることが望まれた。
そこで本発明は、上記のような問題点にかんがみてなされたものであり、その目的とするところは、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、クラックの発生を抑制しながら良好に光を閉じ込め、ファーフィールドパターンのリップルを低減することのできる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、窒化物半導体基板の上に、ｎ側クラッド層、活性層、およびｐ側クラッド層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板と前記ｎ側クラッド層との間に、前記窒化物半導体基板の側から順に、ＡｌＧａＮを含む第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層よりＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮを含む第２の窒化物半導体層と、ＧａＮを含む第３の窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮを含む第４の窒化物半導体層と、ＡｌＧａＮを含む第５の窒化物半導体層とを備えたことを特徴としている。
この特定事項により、第１の窒化物半導体層から第５の窒化物半導体層までの各層が有機的に関連して活性層に作用するとともに各層のクラックの発生を抑制し、良好に光を閉じ込めて、ファーフィールドパターンのリップルを低減することが可能となる。
前記窒化物半導体レーザ素子のより具体的な構成として次のものが挙げられる。すなわち、前記窒化物半導体基板としてＧａＮを含み、前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が１０％以上であって２５％以下とされた構成であることが好ましい。
これにより、窒化物半導体基板と第１の窒化物半導体層との界面平坦性が向上する。したがって、活性層の発光効率が高まり、レーザ特性を向上させることができる。
また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第１の窒化物半導体層はｎ型不純物としてＳｉを含み、Ｓｉ濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であって５×１０19／ｃｍ3以下とされることが好ましい。
これにより、第１の窒化物半導体層の結晶性を維持することができ、界面抵抗を小さくして、窒化物半導体基板と第１の窒化物半導体層との界面平坦性が悪化するのを防ぐことができる。
また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第２の窒化物半導体層はｎ型不純物としてＳｉを含み、Ｓｉ濃度が３×１０18／ｃｍ3以上であって１×１０19／ｃｍ3以下とされることが好ましい。これにより、高い導電性が得られるとともに結晶性を高めることが可能となる。
また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第２の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が０．５％以上であって３％以下とされ、層厚が１μｍ以上であって２μｍ以下とされることが好ましい。これにより、窒化物半導体基板への光の染み出しを防いで、ファーフィールドパターンのリップルを防ぐことが可能となる。
また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第４の窒化物半導体層は、Ｉｎ組成比が１％以上であって５％以下とされることが好ましい。これにより、第４の窒化物半導体層の表面平坦性を良好に保ち、結晶性が悪化するのを防ぐので、活性層に注入される電流密度を均一にすることができる。
また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第５の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が１０％以上であって２５％以下とされることが好ましい。これによっても、第４の窒化物半導体層の表面平坦性が保たれて、活性層の発光効率を向上させることができる。
本発明では、窒化物半導体基板と前記ｎ側クラッド層との間に、前記窒化物半導体基板の側から順に、ＡｌＧａＮを含む第１の窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層よりＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮを含む第２の窒化物半導体層と、ＧａＮを含む第３の窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮを含む第４の窒化物半導体層と、ＡｌＧａＮを含む第５の窒化物半導体層とを備えさせた窒化物半導体レーザ素子の構成としている。これらの各層の作用により、クラックの発生を抑制しながら良好に光を閉じ込め、ファーフィールドパターンのリップルを低減することが可能となる。また、第１の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層、および第５の窒化物半導体層により、界面平坦性を高めることができ、歩留り、閾値、スロープ効率などのレーザ特性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面図である。 従来の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図である。なお、図１および図２では、図面の明瞭化のために断面を示すハッチングを省略して記載している。また、各図において、長さ、幅、および厚さなどは図面の明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表したものではない。
（全体構造）
実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１は、窒化物半導体基板１１上に、複数層にわたる窒化物半導体層が下地構造層１２として形成されている。下地構造層１２の上には、ｎ側クラッド層１３、ｎ側光ガイド層１４、活性層１５、ｐ側光ガイド層１６、ｐ側キャリアブロック層１７、ｐ側クラッド層１８、およびｐ側コンタクト層１９が順に積層されている。この窒化物半導体レーザ素子１における下地構造層１２の説明に先立ち、下地構造層１２を除く、その他の層構成についてまず説明する。
（窒化物半導体基板）
窒化物半導体レーザ素子１の窒化物半導体基板１１には、ＧａＮ基板が好ましく、ｎ型不純物としてＳｉが添加されて導電性を有する基板が用いられている。窒化物半導体レーザ素子１において、Ｓｉを含む構成の窒化物半導体基板１１を有することにより、各層の積層方向に電流を動かし、直列抵抗を下げ、チップ構造を簡略化することが可能となる。この窒化物半導体基板１１の上には後述する下地構造層１２が成長されている。
（ｎ側クラッド層）
下地構造層１２の上には、ｎ側クラッド層１３が複層により設けられている。下地構造層１２に接する第１のｎ側クラッド層１３１はＡｌＧａＮ層とされている。これにより、発光領域の十分な光閉じ込めを可能にする。第１のｎ側クラッド層１３１におけるＡｌ組成比は５％以上であることが好ましい。また、クラック防止のため、このＡｌ組成比は１０％以下であり、層厚は８００〜１２００ｎｍであることが好ましい。
第１のｎ側クラッド層１３１の上には、第２のｎ側クラッド層１３２としてＧａＮ層が設けられている。第２のｎ側クラッド層１３２は、１００ｎｍ〜４００ｎｍの層厚により形成されることが好ましい。これにより、残存歪みを緩和するとともに、結晶性を回復させることができる。
これらの第１のｎ側クラッド層１３１および第２のｎ側クラッド層１３２の２層は、Ｓｉがドープされていることが好ましい。その場合、Ｓｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3〜３×１０18／ｃｍ3であることが好ましい。これにより、導電性が確保されている。
ここで、ドープとは導電性不純物の半導体結晶中への意図的な添加を意味しており、ドープされた半導体層は導電性不純物が添加されている半導体層を意味している。また、アンドープとは、導電性不純物を意図的に添加していない半導体結晶の状態を意味するものであり、Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｃｌなどの不純物や、導電性にほとんど影響を与えない程度の導電性制御不純物が、結晶成長時に不可避的に混入したような半導体結晶であってもこれに含むものとする。
（ｎ側光ガイド層）
ｎ側クラッド層１３の上には、ｎ側光ガイド層１４が形成されている。このｎ側光ガイド層１４はＩｎＧａＮ層とされ、そのＩｎ組成比は１〜５％であることが好ましい。
ｎ側光ガイド層１４を構成するＩｎＧａＮによって該層を成長させ、これにより光閉じ込め効率を高めることができる。ｎ側光ガイド層１４の層厚は、１５０〜２００ｎｍであることが好ましく、結晶性の悪化を防ぐためアンドープ層であることが好ましい。かかるｎ側光ガイド層１４により、後述する活性層１５の井戸層の発光効率を向上させることができる。
（活性層）
ｎ側光ガイド層１４の上には、活性層１５が形成されている。この活性層１５は井戸層と障壁層が交互に構成される多重量子井戸構造であることが好ましい。例えば、活性層１５は、障壁層から始まり障壁層で終了する、障壁層３層および井戸層２層の二重量子井戸構造とすることができる。
これらのうち、障壁層はＧａＮ層とされ、井戸層はＩｎＧａＮ層とされることが好ましい。障壁層は結晶性を回復させる効果がある。井戸層は、障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体材料により形成されることが好ましく、ＩｎＧａＮは特に好ましい。井戸層における原子組成比は特に限定されず、発振させる波長によって任意に選択することができる。
活性層１５は、複数層の井戸層から発光するので、単色性を保つためにはＩｎ組成比および層厚は複数層ともに同じであることが望ましい。障壁層の層厚は複数層でそれぞれ変更することができる。
（ｐ側光ガイド層）
活性層１５の上には、ｐ側光ガイド層１６が形成され、Ｉｎ組成比および層厚がｎ側光ガイド層１４と同様のＩｎＧａＮ層とされている。ｐ側光ガイド層１６およびｎ側光ガイド層１４の層厚は厚ければ厚いほど光閉じ込め率は向上する。そのため、これらの層のＩｎ組成比を比較的抑えるとともにアンドープ層として、層厚の増大に伴う結晶性の悪化を防止している。
（ｐ側キャリアブロック層）
ｐ側光ガイド層１６の上にはｐ側キャリアブロック層１７が形成されている。ｐ側キャリアブロック層１７はＡｌＧａＮ層とされ、Ａｌ組成比は１５〜３０％であることが好ましい。また、ｐ側キャリアブロック層１７としてｐ型化させるため、ｐ型不純物として主にＭｇを含み、Ｍｇが１×１０18／ｃｍ3〜９×１０18／ｃｍ3の濃度で添加されることが好ましい。ｐ側キャリアブロック層１７の層厚は、５〜１５ｎｍであることが好ましい。
ｐ側キャリアブロック層１７はこのような条件を備えることにより、活性層１５に注入された電子を効果的にブロックすることができ、注入効率をあげることができ、閾値電流を下げることができる。また層厚が小さいことにより抵抗の上昇を防ぐことができる。
（ｐ側クラッド層）
ｐ側キャリアブロック層１７の上にはｐ側クラッド層１８が形成されている。ｐ側クラッド層１８はＡｌＧａＮ層とされ、Ａｌ組成比は３〜５％であることが好ましい。また、ｐ側クラッド層１８としてｐ型化させるため、ｐ型不純物として主にＭｇを含み、Ｍｇが１×１０18／ｃｍ3〜９×１０18／ｃｍ3の濃度で添加されることが好ましい。ｐ側クラッド層１８の層厚は６００ｎｍ〜８００ｎｍであることが好ましい。
ｐ側クラッド層１８はこのような条件を備えることにより、屈折率が活性層１５よりも低く、光を閉じ込めることができ、少ないＡｌ組成比とされることによりクラックの防止および抵抗の低減を図ることが可能となる。
（ｐ側コンタクト層）
ｐ側クラッド層１８上には、ｐ側コンタクト層１９が設けられている。このｐ側コンタクト層１９は、ＧａＮ層とされることが好ましい。ｐ側コンタクト層１９はｐ型不純物として主にＭｇを含み、Ｍｇ濃度は２×１０19／ｃｍ3〜９×１０19／ｃｍ3であることが好ましい。また、ｐ側コンタクト層１９の層厚は５０〜１５０ｎｍ程度であることが好ましい。これにより、ｐ側コンタクト層１９は、コンタクト抵抗および直列抵抗を下げることを可能にする。
（電極）
ｐ側コンタクト層１９とｐ側クラッド層１８の一部はフォトリソグラフィー法によってエッチングされリッジ部２０が形成されている。リッジ部の幅は１．５〜２μｍに調整される。
さらに露出したリッジ部２０の側面、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層１８の表面にＳｉＯ2からなる絶縁膜２１が形成されている。ｐ側コンタクト層１９の表面には、ｐ側コンタクト層１９側から順にＰｄ、Ｍｏ、Ａｕからなるｐ側金属電極２２が形成されている。窒化物半導体基板１１の裏面には、窒化物半導体基板１１側から順にＨｆ、Ａｌからなるｎ側金属電極２３が形成されている。
（第１の窒化物半導体層：初期成長層）
窒化物半導体基板１１の上には、ｎ側クラッド層１３との間に、下地構造層１２が成長されている。例示の形態において、下地構造層１２は、窒化物半導体基板１１第１の窒化物半導体層１２１、第２の窒化物半導体層１２２、第３の窒化物半導体層１２３、第４の窒化物半導体層１２４、第５の窒化物半導体層１２５を成長させて形成されている。
下地構造層１２の初期成長層として、窒化物半導体基板１１に接して第１の窒化物半導体層１２１が形成されている。第１の窒化物半導体層１２１は、ＡｌＧａＮ層とされ、Ａｌ組成比が１０％以上２５％以下となされている。第１の窒化物半導体層１２１は、Ｓｉがドープされてもよく、その場合、Ｓｉドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3以上とされることが好ましく、より好ましくは３×１０19／ｃｍ3以上とされることである。結晶性を維持する観点から、Ｓｉドーピング濃度の上限値は５×１０19／ｃｍ3以下とされることが好ましい。このようなＳｉドーピング濃度を保つことにより、界面抵抗を小さくすることができる。
窒化物半導体基板１１の上に初期成長層として第１の窒化物半導体層１２１を成長させる昇温過程で、窒化物半導体基板１１の結晶欠陥を起因としたエッチングや窒素抜けが起こることがあり、第１の窒化物半導体層１２１における結晶性を乱し、表面平坦性を低下させる原因となるうえ、活性層１５まで伝搬した場合には発光効率を下げ、レーザ特性を低下させる原因ともなる。
これに対し、実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１では、かかる初期成長時に第１の窒化物半導体層１２１として高組成のＡｌＧａＮ層が薄膜により形成される。これによって、窒化物半導体基板１１と第１の窒化物半導体層１２１との界面平坦性の悪化を防ぐことができる。
（第２の窒化物半導体層：リップル対策層）
第１の窒化物半導体層１２１上には、第２の窒化物半導体層１２２が形成されている。この第２の窒化物半導体層１２２については、活性層１５、これを挟んで積層されるｎ側光ガイド層１４およびｐ側光ガイド層に比べて、屈折率が低く抑えられていることが好ましい。屈折率を低くすることにより、活性層１５への自然放出光の染み出しを低減することが可能となるためである。そこで、第２の窒化物半導体層１２２はＡｌＧａＮ層とされている。
窒化物半導体はその組成によって格子定数が異なり、例えば、ＩｎＧａＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮは互いに格子定数が異なる。そのため、この種の窒化物半導体を積層すると界面に応力が発生する。この応力によって、窒化物半導体レーザ素子１には反りが発生する可能性がある。反りが大きいと、割れが発生しやすくなるので、それに応じて歩留まりも悪くなってしまう。
また、ＡｌＧａＮは、格子定数が他の組成の窒化物半導体よりも小さく、結晶が硬い特性がある。そのため、ＡｌＧａＮ結晶と格子整合して成長した層に対し、大きな応力を生じさせ、窒化物半導体基板１１の反りを生じさせたり、クラックを生じさせたりしてしまうおそれがある。
そこで、第２の窒化物半導体層１２２は、第１の窒化物半導体層１２１よりも低いＡｌ組成比であって、第１の窒化物半導体層１２１よりも厚い層厚により形成されることが好ましい。
具体的には、第２の窒化物半導体層１２２におけるＡｌ組成比は０．５％以上であって３％以下とされ、層厚は１μｍ以上であって２μｍ以下とされることが好ましい。また、高い導電性を得るとともに、結晶性を低下させないために、Ｓｉがドープされており、Ｓｉ濃度は３×１０18／ｃｍ3以上であって、１×１０19／ｃｍ3以下の範囲で形成されることが好ましい。
これにより、第２の窒化物半導体層１２２は、低い屈折率のＡｌＧａＮにより構成されて、窒化物半導体基板１１への光の染み出しを防ぐことを可能にする。これにより、ファーフィールドパターンのリップルを防ぎ、反りやクラックの発生を抑えることが可能となり、レーザ光の単色性を確保することができる。第２の窒化物半導体層１２２はリップル対策層と位置づけることができる。
（第３の窒化物半導体層：歪み緩和層）
第２の窒化物半導体層１２２の上には、第３の窒化物半導体層１２３としてＧａＮ層が形成されている。この第３の窒化物半導体層１２３は、ＡｌＧａＮからＩｎＧａＮにかかる歪みを緩和するために形成される。歪みはクラックやマクロステップの原因となり、クラックはレーザの特性、信頼性および生産性等を低下させる原因となるからである。
この場合、第１の窒化物半導体層１２１のＡｌＧａＮ層と第３の窒化物半導体層１２３のＧａＮ層の間に、第１の窒化物半導体層１２１よりもＡｌ組成の低い第２の窒化物半導体層１２２のＡｌＧａＮ層を成長させ、格子定数を段階的に変化させた構造としている。すなわち、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＧａＮは、互いに格子定数が異なっており、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの間の格子定数であるＧａＮによって第３の窒化物半導体層１２３が形成される。
第３の窒化物半導体層１２３の上には後述する第４の窒化物半導体層１２４を成長させており、この第４の窒化物半導体層１２４はＩｎＧａＮにより形成される。この場合も、第２の窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ）１２２と第４の窒化物半導体層（ＩｎＧａＮ）１２４の間に、第３の窒化物半導体層１２３としてＧａＮを成長させたことで、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮと、段階的に格子定数を変化させて積層することができる。また、ＧａＮは、２元混晶であり高品質な結晶を得やすく、結晶性を回復させる効果を有する。
このように、第３の窒化物半導体層１２３は、上下の第２および第４の窒化物半導体層１２２、１２４の間の格子定数であるＧａＮ層とされて歪みを緩和する作用をなすことから、歪み緩和層と位置づけることができる。
（第４の窒化物半導体層：クラック防止層）
第３の窒化物半導体層１２３の上には、第４の窒化物半導体層１２４が形成されている。第４の窒化物半導体層１２４はＩｎＧａＮ層とされている。
この形態に係る窒化物半導体レーザ素子１では、窒化物半導体基板として窒化物半導体基板１１を利用するにあたり、窒化物半導体基板１１と、ｎ側クラッド層１３との間に、ＩｎＧａＮ層の第４の窒化物半導体層１２４を介装することで、クラックの発生を抑制している。
すなわち、後述するｎ側クラッド層１３（例示の形態ではＡｌＧａＮ層）により結晶内ＧａＮに対してかかる引っ張り歪みを、このＩｎＧａＮにより圧縮歪みで補償する。これにより、結果としてより高いＡｌ組成比、層厚でもクラックを緩和することができる。第４の窒化物半導体層１２４はクラック防止層と位置づけることができる。
第４の窒化物半導体層１２４におけるＩｎ組成比は、１％以上であって５％以下であることが好ましい。Ｉｎ組成比がこの範囲であるとＩｎＧａＮによる第４の窒化物半導体層１２４の結晶性が低下しにくくなるためである。Ｉｎ組成比が５％を超えると、表面平坦性が悪くなり、結晶欠陥が入り、結晶性が悪化するために好ましくない。また表面平坦性が失われると、活性層に注入される電流密度が不均一になり、発光効率低下を招く。
かかる第４の窒化物半導体層１２４により、ｎ側光ガイド層１４およびｐ側光ガイド層１６の光閉じ込め効果を高めることができ、レーザ構造の設計の自由度が大きくなる。また、第４の窒化物半導体層１２４のＩｎＧａＮ層は、第３の窒化物半導体層１２３のＧａＮ層よりも屈折率が高く、窒化物半導体基板１１への光の引き込み量を増やす。そのため、第２の窒化物半導体層１２２は、第４の窒化物半導体層１２４によって作用する窒化物半導体基板１１への光の染み出しを相殺する作用も備えている。
（第５の窒化物半導体層：Ｉｎ蒸発防止層）
第４の窒化物半導体層１２４の上には、第５の窒化物半導体層１２５が形成されている。第５の窒化物半導体層１２５はＡｌＧａＮ層とされ、Ａｌ組成比は１０〜２５％であることが表面平坦化のために好ましい。また、Ａｌ組成比が高めに設定されることから、結晶性の維持やクラック防止のために、層厚が１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で小さく設定されることが好ましい。これによって第４の窒化物半導体層１２４の表面荒れが防止され、表面平坦性が良好に保たれる。
ここで、第４の窒化物半導体層１２４を構成するＩｎＧａＮは、低温で成長することから、結晶成長時の構成元素のマイグレーション長が小さく、３次元成長モードとなり、表面平坦性が損なわれる傾向がある。仮に第４の窒化物半導体層１２４の表面の平坦でない場合、活性層１５における層厚の均一性が悪化し、単色性が損なわれ、発光効率が低下してしまう。また、第４の窒化物半導体層１２４の表面平坦性の悪化はキャリアの不均一注入の原因ともなる。
特に波長４９０ｎｍ〜５３０ｎｍのような緑色の波長帯域では、活性層１５のＩｎ組成比が高いことから、活性層１５は急峻な界面を有する多重量子井戸構造であることがレーザ特性、信頼性、生産性を高めるうえで重要となる。したがって、活性層１５に対する下地構造層１２として、第４の窒化物半導体層１２４の表面平坦性は、レーザ特性に大きく影響を与えると考えられる。
これに対して、実施形態に係る構成では、下地構造層１２として、第５の窒化物半導体層１２５が第４の窒化物半導体層１２４とｎ側クラッド層１３との間に挿入されることから、Ｉｎ蒸発防止層として作用し、第４の窒化物半導体層１２４の表面平坦性が向上する。これにより、活性層１５において、単色性、発光効率およびレーザ特性等を高めることができる。
窒化物半導体レーザ素子１は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により窒化物半導体基板１１上に前記各層を成長させてレーザ素子を製造するためのウエハを構成し、個別に分割してレーザ共振器の端面を形成することで得られる。
以上のように、実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１においては、窒化物半導体基板１１とｎ側クラッド層１３との間に、第１の窒化物半導体層１２１から第５の窒化物半導体層１２５までの下地構造層１２を有することから、下地構造層１２の各作用が有機的に関連し、クラックの発生を抑制しながら良好に光を閉じ込め、ファーフィールドパターンのリップルを低減することを可能にする。
（実施例１）
実施例１として、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により、窒化物半導体レーザ素子１を作製した。まず、ＧａＮからなる窒化物半導体基板１１を、先駆物質を供給できる所定の位置に設置し、ヒーターにより窒化物半導体基板１１の表面を９００℃まで昇温させた。
次いで、窒化物半導体基板１１上に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3（アンモニア）、ＳｉＨ4（シラン）を先駆物質として供給し、Ａｌ組成比が２０％、Ｓｉ濃度が４×１０19／ｃｍ3のｎ型ＡｌＧａＮ層を３ｎｍの厚さで成長させた。これにより、下地構造層１２の初期成長層として第１の窒化物半導体層１２１を形成した。
次いで、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を供給し、Ａｌ組成比が１％のＡｌＧａＮ層を１５００ｎｍの厚さ、Ｓｉ濃度を５×１０18／ｃｍ3で成長させた。これにより、リップル対策層として第２の窒化物半導体層１２２を形成した。窒化物半導体基板１１の温度を１１００℃まで上昇させた。
次いで、ＴＭＡの供給を止め、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を供給し、ｎ型ＧａＮを成長させた。Ｓｉ濃度は２×１０18／ｃｍ3で厚さは１０ｎｍ、基板温度は１１００℃のままに保った。これにより、歪み緩和層として第３の窒化物半導体層１２３を形成した。
次いで、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4に加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給し、ｎ型ＩｎＧａＮ層を成長させた。Ｉｎ組成比は４％、Ｓｉ濃度は１×１０19／ｃｍ3、層厚は１７０ｎｍとした。これにより、クラック防止層として第４の窒化物半導体層１２４を形成した。窒化物半導体基板１１の温度は８４０℃まで下げた。
次いで、ＴＭＩの供給を止め、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4に加えてＴＭＡを供給し、ｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させた。Ａｌ組成比は２０％、Ｓｉ濃度は４×１０18／ｃｍ3、層厚は５ｎｍとし、基板温度は８４０℃のままに保った。これにより、Ｉｎ蒸発防止層として第５の窒化物半導体層１２５を形成した。
その後、ｎ側クラッド層１３、ｎ側光ガイド層１４、活性層１５、ｐ側光ガイド層１６、ｐ側キャリアブロック層１７、ｐ側クラッド層１８、ｐ側コンタクト層１９、絶縁膜２１、ｐ側金属電極２２、ｎ側金属電極２３は、前記実施形態に示された好ましい範囲で形成することができ、窒化物半導体レーザ素子１を得た。
作製した窒化物半導体レーザ素子１の特性は、発振波長５０４ｎｍ、スロープ効率０．７Ｗ／Ａ、閾値電流７７ｍＡ、室温連続発振、発振歩留りが１００％であった。実施例１に係る窒化物半導体レーザ素子１は、スロープ効率、閾値電流、および発振歩留りにおいて良好な特性が得られた。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子やＣＣＤなどの受光素子等に好適に利用可能である。
１ 窒化物半導体レーザ素子
１１ 窒化物半導体基板
１２ 下地構造層
１２１ 第１の窒化物半導体層
１２２ 第２の窒化物半導体層
１２３ 第３の窒化物半導体層
１２４ 第４の窒化物半導体層
１２５ 第５の窒化物半導体層
１３ ｎ側クラッド層
１３１ 第１のｎ側クラッド層
１３２ 第２のｎ側クラッド層
１４ ｎ側光ガイド層
１５ 活性層
１６ ｐ側光ガイド層
１７ ｐ側キャリアブロック層
１８ ｐ側クラッド層
１９ ｐ側コンタクト層
２０ リッジ部
２１ 絶縁膜
２２ ｐ側金属電極
２３ ｎ側金属電極

Claims (7)

  1. 窒化物半導体基板の上に、ｎ側クラッド層、活性層、およびｐ側クラッド層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記窒化物半導体基板と前記ｎ側クラッド層との間に、前記窒化物半導体基板の側から順に、
    ＡｌＧａＮを含む第１の窒化物半導体層と、
    前記第１の窒化物半導体層よりＡｌ組成比が小さいＡｌＧａＮを含む第２の窒化物半導体層と、
    ＧａＮを含む第３の窒化物半導体層と、
    ＩｎＧａＮを含む第４の窒化物半導体層と、
    ＡｌＧａＮを含む第５の窒化物半導体層と
    を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  2. 請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記窒化物半導体基板はＧａＮを含み、
    前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が１０％以上であって２５％以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  3. 請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記第１の窒化物半導体層はｎ型不純物としてＳｉを含み、Ｓｉ濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であって５×１０19／ｃｍ3以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  4. 請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記第２の窒化物半導体層はｎ型不純物としてＳｉを含み、Ｓｉ濃度が３×１０18／ｃｍ3以上であって１×１０19／ｃｍ3以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  5. 請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記第２の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が０．５％以上であって３％以下とされ、層厚が１μｍ以上であって２μｍ以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  6. 請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記第４の窒化物半導体層は、Ｉｎ組成比が１％以上であって５％以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  7. 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の窒化物半導体レーザ素子において、
    前記第５の窒化物半導体層は、Ａｌ組成比が１０％以上であって２５％以下とされたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
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