JP3487251B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、短波長の半導体レーザ
に係り、特に光情報処理分野においてキンクのない高出
力での連続発振が可能なレーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の発展とともに、大量
の情報を記憶するファイ装置が必要とされ、短波長のレ
ーザ光源は、ＤＶＤ等の大容量メディアの光源として、
通信用等の光源として切望されている。本出願人は、窒
化物半導体レーザ素子で、波長４０３．７ｎｍのシング
ルモードでの室温における連続発振１万時間以上を達成
したことを発表した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、連続発
振を達成した窒化物半導体レーザ素子の次なる課題とし
ては、その実用化、更に応用分野の拡大のため、素子の
高出力化が重要な課題であり、その上で安定した連続発
振と長寿命を実現しなければならない。

【０００４】特に、ＤＶＤ等の大容量光ディスクの光源
として、記録再生を可能にする光出力が必要であり、発
振横モードが安定している必要がある。具体的には、記
録再生時の光出力として、５ｍＷと３０ｍＷでの発振が
必要とされ、その発振で電流−光出力特性においてキン
クのないものが必要とされる。

【０００５】しかし、レーザ素子への注入電流を増し、
光出力を増加させていくと、素子の電流−光出力特性に
おいて、発振開始後線形領域に続いて、横モードが不安
定化することによるキンクが一般に存在する。レーザ素
子の実用化のためには、レーザ素子を発振開始後から３
０ｍＷまでの光出力領域において、キンクのない安定し
た基本単一横モードを得なければならず、更に長時間の
発振可能としなければならない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点に鑑
みてなされたものであり、光出力の比較的低い領域から
高い領域に至る範囲で、基本モードでの横モードが安定
した発振がなされ、その範囲で電流−光出力特性におい
てキンクが発生しない、半導体レーザ素子を提供するも
のである。

【０００７】すなわち本発明は、以下の構成とすること
で、上記課題を解決するものである。

【０００８】 活性層と、その上に第１のｐ型窒化物半
導体を含むｐ側クラッド層と、その上に第２のｐ型窒化
物半導体を含むｐ側コンタクト層とが少なくとも順に積
層され、該積層されたｐ側コンタクト層側からエッチン
グされて、ストライプ状の導波路領域が設けられた窒化
物半導体レーザ素子であって、前記エッチングにより設
けられたストライプの幅が、１〜３μｍの範囲であり、
前記エッチングの深さが、活性層よりも上で、前記ｐ側
クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置よりも下であ
り、前記エッチングにより露出されたストライプの両側
面及びその外側に連続した窒化物半導体の平面に窒化物
半導体よりも屈折率の小さい絶縁膜有し、該絶縁膜上及
び前記リッジ上のｐ型コンタクト層上に渡る領域にｐ電
極を有し、該ｐ電極上に、取り出し電極を設けるための
領域以外に誘電体保護膜を有することを特徴とする窒化
物半導体レーザ素子。このようなストライプの幅、深さ
でもって形成された導波路は、基本モードにおける安定
した横モードでの発振を可能にし、広い範囲での光出力
においてキンクの発生がなく、長時間の連続発振が可能
な半導体レーザ素子となる。

【０００９】加えて、前記エッチングにより露出された
ストライプの両側面及びその側面に連続した窒化物半導
体の平面に、Ｓｉ酸化物以外の絶縁膜が形成され、該絶
縁膜を介して前記ストライプの最上層である前記ｐ側コ
ンタクト層表面に電極が形成されていることである。こ
の窒化物半導体レーザ素子は、正電極とｐ側クラッド層
間の絶縁性が高く、特に光出力が高くなる、すなわち駆
動電流高くなるにつれてその効果は顕著となる傾向にあ
り、リーク電流が少なく信頼性の高い素子となる。

【００１０】前記ストライプの幅が、１．２〜２μｍで
ある窒化物半導体レーザ素子は、光出力の高い領域、例
えば５ｍＷを超える領域において、横モードの安定した
屈折率導波構造となり、基本（単一）モードでの発振が
更に良好になり、光出力の広い範囲においてキンクの発
生のない発振が可能である。

【００１１】また、前記Ｓｉ酸化物以外の絶縁膜とし
て、具体的には、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよ
りなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸
化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも
一種からなることにより、高い領域での素子信頼性が確
保される。

【００１２】 これらレーザ素子におけるストライプ状
の導波路領域は、以下の工程を具備することにより形成
されることで、極めて精度良く、歩留まりも良好な窒化
物半導体レーザ素子が得られる。その方法とは、第１の
ｐ型窒化物半導体を含むｐ側クラッド層の上に、第２の
ｐ型窒化物半導体を含むｐ側コンタクト層を積層した
後、そのｐ側コンタクト層の表面に、ストライプ状の第
１の保護膜を形成する第１の工程と、第１の保護膜を介
して、該第１の保護膜が形成されていない部分の窒化物
半導体をエッチングして、保護膜直下部分にストライプ
状の導波路領域を形成する第２の工程と、第２の工程
後、第１の保護膜と異なる材料であって、絶縁性を有す
る第２の保護膜を、ストライプ導波路の側面及びエッチ
ングされて露出した窒化物半導体層の平面に形成する第
３の工程と、第３の工程後、第１の保護膜を除去し、そ
の後、第２の保護膜上及び前記ｐ側コンタクト層表面に
ｐ電極を形成し、そのｐ電極上に、取り出し電極を設け
るための領域以外に誘電体保護膜を有する第４の工程と
を具備するものである。この時、後述するように、第３
の保護膜を用いて第１の保護膜を所望の形状に形成して
も良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明においてストライプ状の導
波路領域を形成するためのエッチングとは、例えば図１
の断面図で示すようなリッジ導波路のことであり、ｐ側
クラッド層、ｐ側コンタクト層以下詳しく説明する。

【００１４】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性
層の上に、少なくともｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト
層が順に積層されたものであって、ｐ側コンタクト層側
からエッチングすることでストライプ状の導波路領域が
形成されたものである。

【００１５】本発明において活性層とｐ側クラッド層と
の間には、特に何も設けられている必要はないが、通常
後述する実施例に示すように、ガイド層、及び／又はキ
ャップ層などが設けられいる。活性層の上に直接ｐ側ク
ラッド層が形成されている場合には、ｐ側クラッド層と
活性層との界面からｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍ
となる位置の間で、エッチングしてストライプ状の導波
路領域が設けられる。また、ｐ側クラッド層と活性層と
の間に、上述したガイド層、キャップ層などの層が設け
られている場合には、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μ
ｍとなる位置より下で、発光層よりも上であれば、ｐ側
クラッド層と活性層との間にある層までエッチングされ
ていても良い。この時、図１０に観るように、寿命特性
において、活性層に近い位置で急激に素子寿命が悪化す
る場合には、それを回避できる深さで導波路領域が形成
されることがよく、図のような素子構造では、ｐ側キャ
ップ層に達しない深さで導波路領域を形成する。また、
活性層としては、単一若しくは多重量子井戸構造からな
る活性層であっても良く、この層にはｎ型若しくはｐ型
不純物がドープされていても良い。組成としては、活性
層若しくはそれを構成する量子井戸構造の井戸層として
ＩｎＧａＮが好ましく用いられる。

【００１６】以上のような活性層とｐ側クラッド層との
間に、光ガイド層、キャップ層を設ける具体的な実施形
態としては、後述の変形例１〜３、図１１〜１３に示す
ものがある。光ガイド層は、活性層を挟む構造で、ｐ型
導電層側、ｎ型導電層側にそれぞれ設けられ、この両光
ガイド層で挟まれる領域でもって、光導波路領域を成す
ものである。この時、導波路の膜厚としては、具体的に
は６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑
制し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑
えられた発振閾値電流で、基本モード、長寿命での連続
発振が可能となる。また、両光ガイド層として具体的に
は、ほぼ同じ膜厚で、５００Å以上２０００Å以下で形
成する。更に、光ガイド層としては、窒化物半導体から
なり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導
波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有してい
ればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。ｐ側光
ガイド層として具体的には、発振波長が３７０〜４７０
μｍではアンドープのＧａＮを用い、比較的長波長な領
域（４５０μｍ以上）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層
膜構造を用いることである。ｎ側光ガイド層として具体
的には、ｐ側光ガイド層と同様に、活性層のエネルギー
バンドギャップを考慮して、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用
い、アンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混
晶比を小さくしたＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層し
た多層膜がある。

【００１７】また、活性層とｐ側クラッド層との間、好
ましくは活性層とｐ側光ガイド層との間に設けられるｐ
側キャップ層としては、閾値電流の低下により容易な発
振に寄与し、活性層へのキャリアの閉込めとしても機能
する層であり、具体的にはＡｌＧａＮを用いる。このｐ
側キャップ層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましく
はｐ型不純物をドープしたものとすることで上記機能を
有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込
めとして機能する傾向にある。また、膜厚としては、５
００Å以下で形成し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成としては、
ｘが０以上、好ましくは０．２以上とする事で上記効果
が十分に期待できる。（ｐ側クラッド層）本発明におい
てｐ側クラッド層としては、光を閉じ込めるのに十分な
屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半
導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若
しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示す
ように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子
構造であっても良い。さらに、この層は、ｐ型不純物が
ドープされていても良いし、アンドープであっても良
い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレ
ーザ素子では、このクラッド層はｐ型不純物をドープし
たＧａＮが好ましい。（ｐ側コンタクト層）本発明にお
いてｐ側コンタクト層は、ｐ側クラッド層の上に形成さ
れ、電極との良好なオーミック接触が得られるように形
成される。

【００１８】本発明のレーザ素子において、ストライプ
の幅が１〜３μｍの範囲に調整することで、基本（単
一）モードで安定した横モードでの発振が可能となる。
ストライプの幅が、１μｍ未満であるとストライプの形
成が困難となり、３μｍ以上であると横モードが多モー
ドになる傾向にあり、上述の範囲外にあると安定した横
モードにはならない傾向にある。好ましくは１．２〜２
μｍの範囲に調整することで、更に光出力の高い領域で
の横モードの安定性が増加する。

【００１９】以下、本発明における導波路領域について
詳しく説明する。ストライプ状の導波路領域を形成する
際のエッチング深さとしては、活性層よりも上で、前記
ｐ側クラッド層の活性層側からの膜厚が０．１μｍとな
る位置よりも下であることである。詳しくは、エッチン
グによりストライプ導波路領域が形成され、そのストラ
イプの両側面と連続した窒化物半導体平面の位置がエッ
チング深さを指すものである。このエッチングにより露
出された窒化物半導体平面が、膜厚方向において、ｐ側
クラッド層の膜厚が０．１μｍになる位置よりも下（活
性層方向）で、活性層よりも上（ｐ側コンタクト層方
向）に位置する様にすることである。すなわち、このエ
ッチングは、ｐ側クラッド層の下側端面からｐ側コンタ
クト層方向に０．１μｍとなる位置よりも深く（活性層
方向）、活性層が露出されない深さでなされ、ストライ
プ状の導波路領域が形成される。なお、本発明におい
て、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より
下とは、０．１μｍとなる位置を含むものである。この
ように、エッチングにより活性層に達しない深さで導波
路が形成されることにより、素子寿命が大幅に向上し、
特に光出力の大きい領域、具体的には５ｍＷを超えるよ
うな領域において顕著であり、長時間の発振が可能とな
るからである。また、ｐ側クラッド層の膜厚方向（ｐ側
コンタクト層方向）０．１μｍよりも活性層側まで、エ
ッチングして上記ストライプを形成することにより、光
出力の広い範囲において、具体的には数十ｍＷまでの範
囲において、安定した横モードでの発振ができ、この範
囲でもってキンクのない電流−光出力特性が得られる。

【００２０】上記ストライプ状の導波路領域は、上述の
ストライプの幅、エッチング深さにある本発明のレーザ
素子は、レーザの発振開始から光出力の比較的大きい領
域まで、キンクの発生のない安定した単一基本横モード
での発振が可能であり、さらに素子寿命も出力５ｍＷで
一万時間を超えるなど実用の可能な程度のもの、また３
０ｍＷで千時間を超えるものがあるなど良好な寿命特性
のレーザ素子となる。

【００２１】上記窒化物半導体平面は、ストライプ状の
導波路領域形成時のエッチングにより露出されるもので
あり、その露出面はストライプ側面に連続して窒化物半
導体平面が形成される。従って、上記窒化物半導体平面
の位置は、ストライプ状の導波路領域形成時のエッチン
グ深さを示すものである。

【００２２】また、エッチング深さを表す上述したｐ側
クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置とは、ｐ側ク
ラッド層の（活性層側）下端面からｐ側コンタクト層方
向に０．１μｍの位置であり、ｐ側クラッド層の成長を
始める表面から膜厚０．１μｍとなる位置のことであ
り、上記導波路領域におけるｐ側クラッド層の膜厚が
０．１μｍ以下となる位置に上記露出された窒化物半導
体平面が形成されることである。この時、ｐ側クラッド
層において、活性層とｐ側クラッド層との間の層は、特
に限定されず、両者の層が接していても良く、後述する
実施例に示すようにｐ側キャップ層、ｐ側光ガイド層等
を設けてあるような、離間した構造であっても良い。

【００２３】ｐ側クラッド層が活性層に離間して設けら
れている場合には、エッチング深さをｐ側クラッド層の
活性層側にある下端面、ｐ側キャップ層、ｐ側光ガイド
層等の隣接する層との界面、に僅かに達しない程度の深
さで行うことにより、３０ｍＷの高い光出力において、
千時間の素子寿命を達成するようなレーザ素子が得られ
易い傾向にあり好ましい。この時、具体的なエッチング
深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚、若しくはｐ側ク
ラッド層がガイド層の上に接して設けられている場合に
はガイド層から上記露出された窒化物半導体平面までの
深さが、０．０５μｍ未満となる深さでそのような傾向
が確認されている。

【００２４】ここで、活性層は、量子井戸構造であって
も良く、その場合単一量子井戸、多重量子井戸のどれで
も良く、この時活性層よりも上に位置するとは、量子井
戸構造を構成し最後に形成される障壁層／井戸層に続い
て形成される層との間に少なくとも達しない深さであ
る。

【００２５】本発明における窒化物半導体発光素子の共
振器長としては、４００〜９００μｍの範囲であれば、
前後のミラーの反射率を制御することで、駆動電流を低
くすることができ、好ましい。

【００２６】更に、本発明の窒化物半導体レーザ素子
は、Ｓｉ酸化物以外の絶縁膜を前記エッチングにより露
出されたストライプの両側面及びその側面に連続した窒
化物半導体の平面に形成し、該絶縁膜を介して前記スト
ライプの最上層である前記ｐ側コンタクト層表面に電極
が形成されていることで信頼性の高いものとなる。これ
は、通常用いられるＳｉＯ₂の絶縁膜では、十分に絶縁
性が確保された状態での形成が困難な傾向にあったから
である。このため得られる素子は、閾値の上昇などがみ
られ、素子の信頼性を損ねるものがあった。しかし、上
記Ｓｉ酸化物以外の絶縁膜を用いることで、このような
問題が解決され、更にまた、上述した横モードの安定性
にも好適に影響する傾向にある。Ｓｉ酸化物以外の絶縁
膜として、具体的には、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、
Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を
含む酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一
種からなる絶縁膜とすることで、良好な素子信頼性のレ
ーザ素子が得られる。更に、後述する方法でストライプ
が形成されることにより、上述した範囲のストライプ状
導波路が精度良く形成される。この時、絶縁膜の厚さと
しては、５００〜５０００Å程度であれば十分である。

【００２７】以上のように、本発明のストライプ状の導
波路領域を有するレーザ素子とすることで、良好な素子
特性となるものであり、更にそのストライプは以下の方
法により形成することで、本発明のレーザ素子における
ストライプ状の導波路領域が精度良く、且つ歩留まり良
く製造できる。以下、その製造方法について詳述する。

【００２８】ここで、本発明において、エッチングによ
り形成されるストライプの形状は、特に限定されず、断
面図において図１に示すようにエッチングが深くなるに
伴い幅が広がる順メサ形状であっても良いし、これとは
逆に幅が狭くなる逆メサ形状、若しくは幅がほぼ一定の
形状のどれでも良い。好ましくは、順メサ形状にするこ
とであり、こうすることで横モードが安定して基本モー
ドになる傾向にある。

【００２９】また、図１，２に示すように、異種基板の
同一面側に正・負一対の電極を形成する場合には、負電
極を形成するｎ側コンタクト層を露出させるため、その
深さまでエッチングを行い、その後ストライプ状の導波
路領域を形成するエッチングを行う。 （ストライプ状導波路領域の形成方法）図３は、本発明
の電極形成方法の工程を説明するための、窒化物半導体
ウェーハを示す模式的な断面図であり、エッチングによ
り形成したストライプ導波路に対し垂直方向、即ち共振
面に対して平行方向で切断した際の図を示している。本
発明の第１の工程では図３（ｃ）に示すように、最上層
にあるｐ側コンタクト層１３の上にストライプ状の第１
の保護膜６１を形成する。

【００３０】第１の保護膜６１は、特に絶縁性は問わ
ず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であ
ればどのような材料でも良い。例えばＳｉ酸化物（Ｓｉ
Ｏ₂を含む）、フォトレジスト等が用いられ、好ましく
は、後に形成する第２の保護膜との溶解度差を設けるた
めに、第２の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性
質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好
ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料
として、Ｓｉ酸化物を好ましく用いる。第１の保護膜の
ストライプ幅（Ｗ）としては３μｍ〜１μｍに調整す
る。第１の保護膜６１のストライプ幅が、おおよそ導波
路領域のストライプ幅に相当する。

【００３１】図３（ａ）、（ｂ）は前記第１の保護膜６
１を形成するための具体的な工程を示すものである。即
ち、図３（ａ）に示すように、第１の保護膜６１をｐ側
コンタクト層１３の表面のほぼ全面に形成し、次にその
第１の保護膜６１の上にストライプ状の第３の保護膜６
３を形成する。その後、図３（ｂ）に示すように、その
第３の保護膜６３をつけたまま、第１の保護膜６１をエ
ッチングした後、第３保護膜６３を除去すれば、図３
（ｃ）に示すようなストライプ状の第１の保護膜６１を
形成することができる。なお第３の保護膜６３をつけた
ままエッチングガス、若しくはエッチング手段等を変え
て、ｐ側コンタクト層１３側からエッチングすることも
できる。

【００３２】また図３（ｃ）に示すようなストライプ状
の第１の保護膜６１を形成するにはリフトオフ法を用い
ることもできる。即ち、ストライプ状の孔が開いた形状
のフォトレジストを形成し、そのフォトレジストの上か
ら全面に第１の保護膜を形成し、その後フォトレジスト
を溶解除去することにより、ｐ側コンタクト層と接触し
ている第１の保護膜のみを残す手段である。なおリフト
オフ法でストライプ状の第１の保護膜を形成するより
も、前記図３（ａ）、（ｂ）のようにエッチングにより
形成する方が端面がほぼ垂直で形状が整ったストライプ
が得られやすい傾向にある。

【００３３】次に本発明の第２の工程では図３（ｄ）に
示すように、第１の保護膜６１を介して、該第１の保護
膜６１が形成されていない部分のｐ側コンタクト層１３
からエッチングして、第１の保護膜６１の直下部分に保
護膜の形状に応じたストライプ状の導波路領域を形成す
る。エッチングを行う場合、エッチストップをどの位置
にするかでレーザ素子の構造、特性が異なってくる。

【００３４】エッチング手段としては、例えばＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）のようなドライエッチング
を用いる場合、第１の工程で多用するＳｉ酸化物よりな
る第１の保護膜をエッチングするには、ＣＦ₄のような
フッ素化合物系のガスを用いることが望ましく、第２の
工程では窒化物半導体をエッチングするには他のIII−
Ｖ族化合物半導体で良く用いられている、Ｃｌ₂、ＣＣ
ｌ₄、ＳｉＣｌ₄のような塩素系のガスを用いると、Ｓｉ
酸化物との選択比が大きくできるため望ましい。

【００３５】次に第３の工程では、図３（ｅ）に示すよ
うに、第１の保護膜６１と異なる材料であって、絶縁性
を有する第２の保護膜６２を、ストライプ状の導波路の
側面と、エッチングされて露出した窒化物半導体層（図
３ｅでは、ｐ側クラッド層１２）の平面とに形成する。
第１の保護膜６１は第２の保護膜６２と異なる材料より
なるため、エッチング手段に対して、第２の保護膜と選
択性を有している。そのため、後に第１の保護膜６１の
みを、例えばフッ酸で除去すると、次の図３（ｆ）に示
すような、ｐ型クラッド層１２の表面（エッチングによ
り露出された窒化物半導体の平面）とストライプの側面
との両方に連続した第２の保護膜６２を形成することが
できる。第２の保護膜を連続して形成することにより、
高い絶縁性を保持できる。しかも第１の保護膜６１の上
から連続して第２の保護膜６２を形成すると、ｐ側クラ
ッド層１２の上に均一な膜厚で形成できるため、膜厚の
不均一が起こりにくく、膜厚の不均一に起因する電流の
集中も発生しなくなる。なお、第２の工程においてエッ
チストップをｐ側クラッド層１２の途中としているた
め、図３（ｅ）では第２の保護膜６２はｐ側クラッド層
の平面に形成されるが、エッチストップをｐ側クラッド
層１２よりも下にすると、当然第２の保護膜はそのエッ
チストップした窒化物半導体層の平面に形成されること
は言うまでもない。

【００３６】第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ₂以外
の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ
よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む
酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくと
も一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈ
ｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好まし
い。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質
を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれ
ば埋め込み層としてＳｉＯ₂よりもかなり信頼性が高く
なる傾向にある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成
膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応し
た酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対
する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明
で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、Ｂ
Ｎ、ＳｉＣ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に対して
信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率
を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外の
もの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非
常に都合がよい。さらにまた、第１の保護膜６１をＳｉ
酸化物とすると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸による選
択性を有しているため、図３（ｅ）に示すようにストラ
イプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平
面（エッチストップ層）、及び第１の保護膜６１の表面
に連続して形成すると、リフトオフ法により、第１の保
護膜６１のみを除去すると、図３（ｆ）に示すような、
平面に対して膜厚が均一な第２の保護膜６２を形成する
ことができる。

【００３７】次に本発明の第４の工程では、図３（ｆ）
に示すように、第１の保護膜６１を除去する。その後
に、次に図３（ｇ）に示すように、第２の保護膜６２と
ｐ側コンタクト層１３の上に、そのｐ側コンタクト層と
電気的に接続したｐ電極を形成する。本発明では、先に
第２の保護膜を先に形成しているために、このｐ電極を
形成する際に、ストライプ幅の狭いコンタクト層のみに
形成する必要がなく、大面積で形成できる。しかも、オ
ーミック接触を兼ねた電極材料を選択してオーミックと
ボンディング用の電極を兼ねた電極とを一緒に形成でき
る。

【００３８】窒化物半導体レーザ素子では、ストライプ
状の導波路領域を形成する場合、ウェットエッチングで
はエッチングが難しいため、ドライエッチングが用いら
れる。ドライエッチングでは、第１の保護膜と窒化物半
導体との選択性が重要視されるため、第１の保護膜とし
てＳｉＯ₂が用いられる。しかしながらＳｉＯ₂をエッチ
ストップした層の平面に形成する第２の保護膜にも使用
することは、絶縁性が不十分であり、また第１の保護膜
と同一材料であるので、第１の保護膜のみを除去するこ
とが困難となる。そのため、本発明では、第２の保護膜
をＳｉＯ₂以外の材料とすると、第１の保護膜との選択
性が得られる、しかも第２の保護膜形成後は窒化物半導
体をエッチングしないため、第２の保護膜は、窒化物半
導体とのエッチング速さに関して、問題とされない。

【００３９】

【実施例】以下の実施例では、基板の同一主面側に正・
負の電極を設ける構造を示しているが、対向する位置に
両電極を設ける構造であってもよいことはいうまでもな
い。

【００４０】以下に示す、ストライプ状導波路領域にお
けるストライプ幅若しくはエッチング深さに対する素子
特性変化は、実施例１のレーザ素子をもとに測定された
ものであるが、本発明はこれに限定されないことはいう
までもない。

【００４１】図７は、ｐ側クラッド層の膜厚が０．０５
μｍ残る深さで、すなわち実施例２に相当するエッチン
グがなされストライプ状の導波路領域が形成された場合
において、ストライプ幅と横モードの安定性を示すもの
である。ここで、良品率とは、発振を確認した素子の
内、５ｍＷで基本単一横モード発振が可能な素子の割合
を示すものである。図から明らかなように、２〜３μｍ
の範囲で良品率が急激に低下し、３μｍを超えるとほぼ
良品率がゼロとなる。また、良品率が高く、図の曲線が
比較的平坦になる領域（１．２〜２．０μｍ）では、横
モードの安定した好ましいレーザ素子が得られ、光出力
を増加させると、曲線の形状は変化する（平坦性が崩れ
る）ものの、上記１．２〜２．０μｍの範囲以外の領域
に比べて、良品率の高い領域である傾向は維持される。
従って、１．２〜２．０μｍの範囲では、安定した単一
横モードのレーザ素子となる。更に、ストライプ幅を狭
くすると、良品率は減少する傾向にあり、１μｍより狭
くてもこの傾向は持続される。ストライプ幅が１μｍ未
満では、精度良くストライプ状の導波路領域が形成され
ず、このことはストライプ形状の不安定性にもつながる
ため、横モードの安定性が損なわれ、良品率も大幅に低
下する傾向にある。

【００４２】図８〜１０は、エッチング深さに対する、
横モード安定性、駆動電流変化、寿命特性を示す。図８
から明らかなように、ｐ側クラッド層の膜厚０．１μｍ
よりも活性層方向に深くエッチングすることで、安定し
た単一横モード発振のレーザ素子が高い割合で得られ
る。また、エッチング深さが、ｐ側クラッド層の膜厚が
０．１μｍとなる厚さ以上であると、キンクの発生が急
激に起こり、大幅に良品率が減少していることもわか
る。ここで、良品率とは図７と同様に、発振を確認した
素子の内、５ｍＷで基本単一横モード発振が可能な素子
の割合を示すものであり、この時の導波路領域のストラ
イプ幅は１．８μｍであった。

【００４３】図９は、光出力３０ｍＷでの駆動電流を示
すもので、この時ストライプ状の導波路領域は幅１．８
μｍである。図から明らかなように、ｐ側光ガイド層か
ら深いところ（活性層側）では５０ｍＡで一定である
が、ｐ側光ガイド層から膜厚０．１μｍ付近のｐ側クラ
ッド層まで緩やかに電流値が上昇し、ｐ側クラッド層の
膜厚０．１μｍ超えるエッチング深さで急激に電流値が
上昇している。更に、エッチング深さが、ｐ側クラッド
層の膜厚が厚くなる方向にあるレーザ素子では、ｐ側ク
ラッド層の膜厚０．２５μｍ以上では３０ｍＷの光出力
が得られなくなる。

【００４４】図１０は、光出力３０ｍＷでのエッチング
深さに対するレーザ寿命を示すもので、エッチングがｐ
側光ガイド層とｐ側キャップ層との界面付近の深さで、
レーザ寿命は大幅に低下し、活性層に達する深さでスト
ライプ状の導波路領域が形成されると、素子寿命に多大
に悪影響を及ぼすことを示している。この時、この図に
示すような素子構造のレーザ素子では、ｐ側キャップ層
に達しない深さでエッチングが行われる方がよい。ま
た、この活性層よりも浅いｐ側光ガイド層、ｐ側クラッ
ド層の膜厚０．１μｍ付近まで良好な寿命特性を示して
おり、更に好ましい領域として図に観るように、ｐ側光
ガイド層とｐ側クラッド層との界面付近からｐ側クラッ
ド層の膜厚が僅かな領域で良好な寿命特性を示す。すな
わち、エッチングにより露出されるｐ側クラッド層の膜
厚を０．１μｍ以下とし、更に好ましくは、ｐ側クラッ
ド層が僅かに残るか、ほぼ除去される深さでエッチング
されると、良好な寿命特性が得られることを示すもので
ある。ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍより厚くなる
深さであると、寿命特性は急激に低下する。

【００４５】図８〜１０において、測定を行ったレーザ
素子の構造では、ｐ側キャップ層は、活性層に含まれな
いが、図１０に観るように、寿命特性を考慮するとエッ
チング深さをｐ側キャップ層に達しない深さで形成する
ことが好ましい。 ［実施例１］図２は本発明の一実施例に係るレーザ素子
の構造を示す模式的な断面図でありストライプ導波路に
垂直な方向で切断した際の図を示すものである。以下、
この図を基に実施例１について説明する。

【００４６】ここで、本実施例では、基板として窒化物
半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板な
どの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここ
で、異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面
のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ
１₂Ｏ₄のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ
を含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化
物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を
成長させることが可能で従来から知られており、窒化物
半導体と異なる基板材料を用いることができる。好まし
い異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられ
る。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、
この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると
窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長さ
せるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、
異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導
体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除
去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成
してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去
する方法でも良い。 （バッファ層２）１インチφ、Ｃ面を主面とするサファ
イアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセッ
トし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなる
バッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。 （窒化物半導体層（下地層）４）バッファ層成長後、温
度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、ア
ンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層４を４μｍの膜
厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の
成長において下地層として作用する。 （ｎ側コンタクト層５）次に、アンモニアとＴＭＧ、不
純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板１
の上に、１０５０℃でＳｉを３×１０¹⁸／cm³ドープし
たＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を４μｍの膜厚で
成長させる。 （クラック防止層６）次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチ
ルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃に
してＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラック防止層６を
０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック
防止層は省略可能である。 （ｎ側クラッド層７）続いて、１０５０℃でＴＭＡ（ト
リメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、
アンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５Åの膜
厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流
し、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮより
なる層を２５Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互
に積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格
子よりなるｎ側クラッド層７を成長させる。 （ｎ側光ガイド層８）続いて、シランガスを止め、１０
５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層８を
０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層８
にｎ型不純物をドープしても良い。 （活性層９）次に、温度を８００℃にして、Ｓｉドープ
Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で
成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎよりなる井戸層を４０Åの膜厚で成長させる。障
壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最後に障壁層で終
わり、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の
活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンド
ープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物
をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にド
ープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。な
お障壁層にのみｎ型不純物をドープすると閾値が低下し
やすい。 （ｐ側キャップ層１０）次に、温度を１０５０℃に上
げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層
１１よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを
１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎより
なるｐ側キャップ層７を３００Åの膜厚で成長させる。 （ｐ側光ガイド層１１）続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止
め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キ
ャップ層１０よりも小さい、アンドープＧａＮよりなる
ｐ側光ガイド層１１を０．１μｍの膜厚で成長させる。

【００４７】このｐ側光ガイド層１０は、アンドープ、
すなわち意図的にドープしない状態で成長させるが、ｐ
側キャップ層、ｐ側クラッド層の隣接する層からのＭｇ
拡散が起こり、実際にはＭｇ濃度が５×１０¹⁶／cm³と
なり、Ｍｇがドープされた層となる。 （ｐ側クラッド層１２）続いて、１０５０℃でアンドー
プＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長
させ、続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止め、アンドープＧ
ａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．
６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１２を成長さ
せる。ｐ側クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒
化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギー
が異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場
合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわ
ゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にある
が、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１
２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_XＧ
ａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望
ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層
した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１２を超格子構
造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を
上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小
さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくな
るので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さら
に、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生す
るピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、
ショートする確率も低くなる。 （ｐ側コンタクト層１３）最後に、１０５０℃で、ｐ側
クラッド層９の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープし
たｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１３を１５０Å
の膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎ_X
Ａｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成す
ることができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとす
れば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が得ら
れる。コンタクト層１３は電極を形成する層であるの
で、１×１０¹⁷／cm³以上の高キャリア濃度とすること
が望ましい。１×１０¹⁷／cm³よりも低いと電極と好ま
しいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さら
にコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好
ましいオーミックが得られやすくなる。

【００４８】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コン
タクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成して、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ₄ガ
スによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形
成すべきｎ側コンタクト層５の表面を露出させる。この
ように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜と
してＳｉＯ₂が最適である。

【００４９】次に上述したストライプ状の導波路領域を
形成する方法について詳説する。まず、図３（ａ）に示
すように、最上層のｐ側コンタクト層１３のほぼ全面
に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ
₂）よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形
成した後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスク
をかけ、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、
ストライプ幅２μｍ、厚さ１μｍで形成する。

【００５０】次に、図３（ｂ）に示すように第３の保護
膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置
により、ＣＦ₄ガスを用い、第３の保護膜６３をマスク
として、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライ
プ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジ
ストのみを除去することにより、図３（ｃ）に示すよう
にｐ側コンタクト層１３の上にストライプ幅２μｍの第
１の保護膜６１が形成できる。

【００５１】さらに、図３（ｄ）に示すように、ストラ
イプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳ
ｉＣｌ₄ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１３、および
ｐ側クラッド層１２をエッチングして、ｐ側クラッド層
の膜厚が０．０１μｍとなる深さのストライプ状の導波
路領域として、リッジストライプを形成する。

【００５２】リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶ
Ｄ装置に移送し、図３（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物
（主としてＺｒＯ₂）よりなる第２の保護膜６２を、第
１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ
側クラッド層１２の上に０．５μｍの膜厚で連続して形
成する。

【００５３】第２の保護膜６２形成後、ウェーハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ₂以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなり、この工程を加えること
がさらに望ましい。

【００５４】次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図３
（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法
により除去する。

【００５５】次に図３（ｇ）に示すように、ｐ側コンタ
クト層１３の上の第１の保護膜６１が除去されて露出し
たそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ
電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのス
トライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜
６２の上に渡って形成する。第２の保護膜形成後、既に
露出させたｎ側コンタクト層５の表面にはＴｉ／Ａｌよ
りなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成す
る。

【００５６】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりな
る誘電体多層膜６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−
Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よ
りなる取り出し（パット）電極２２，２３をそれぞれ設
けた。

【００５７】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面（（１１−００）面、六方晶
系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。こ
の共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を
形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して
図１に示すようなレーザ素子とする。なおこの時の共振
器長は８００μｍであった。

【００５８】このレーザ素子をヒートシンクに設置し、
それぞれのパット電極をワイヤーボンディングして、室
温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２
０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm²において室温連
続発振を示した。さらに電流値を上げて出力を上げてい
き、横モードが基本モード（単一モード）の条件で、そ
の電流−光出力特性を得たところ、図５に示すように、
５ｍＷとしてもキンクの発生が無く、さらに３０ｍＷま
で光出力を上げてもキンクは発生せずに、横モードは安
定していた。また、素子寿命についても試験したとこ
ろ、５ｍＷの出力で１万時間以上の連続発振が確認さ
れ、３０ｍＷの光出力でも千時間を超えるものが確認さ
れた。このように、単一の横モード（基本モード）で、
光出力を増加させて高出力化させても安定した横モード
が得られ、記録・再生の光ディスクへの適用も可能であ
る。 ［実施例２］ストライプ状の導波路領域形成のためのエ
ッチング深さが、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍと
なる深さ、すなわちエッチングにより露出された窒化物
半導体平面（ｐ側クラッド層の露出した表面）がｐ側ク
ラッド層とｐ側光ガイド層との界面から、ｐ側コンタク
ト層方向に０．１μｍの位置となる深さであること以外
は、実施例１と同様にレーザ素子を作製した。得られた
レーザ素子は、その電流−光出力特性を図５の１０２に
示すように、比較的低い光出力では実施例１と同様な特
性を示すが、２０ｍＷ付近でキンクの発生が観られるな
ど、高出力領域において実施例１と比べて横モードが不
安定であった。また、素子寿命については、５ｍＷの出
力で一万時間を超えるなど良好なものであった。 ［実施例３］ストライプ状の導波路領域形成のためのエ
ッチング深さが、ｐ側クラッド層の膜厚が０．０５μｍ
となる深さ、すなわちエッチングにより露出された窒化
物半導体平面（ｐ側クラッド層の露出した表面）がｐ側
クラッド層とｐ側光ガイド層との界面からｐ側コンタク
ト層方向に０．０５μｍの位置となる深さであること以
外は、実施例１と同様にレーザ素子を作製した。得られ
たレーザ素子は、実施例１に比べて横モードの安定性、
特に出力２０ｍＷ以上の領域において僅かに劣るもの
の、実施例２に比べて横モードの安定性は良好なもので
あった。また、素子寿命については、実施例１乃至２と
同様に５ｍＷの出力では、１万時間を超えるものであ
り、３０ｍＷについても実施例１に比べてその割合は少
ないものの、千時間を超えるものがあった。ここで、７
０℃、５ｍＷ動作時間に対する駆動電流変化を図６に示
す。図６から明らかなように、比較例３の駆動電流変化
に比べて、初期劣化から劣化速度が一定になるまでの遷
移領域において実施例３は大きく異なり、劣化速度が一
定になる駆動電流値が低く、劣化速度（図中の直線部の
傾き）も低く、寿命特性が比較例３に比べて良好である
ことがわかる。 ［実施例４］エッチング深さが、ｐ側クラッド層の膜厚
が０．１μｍとなる深さ、すなわちエッチングにより露
出された窒化物半導体平面が、ほぼｐ側光ガイド層を取
り除く深さ、すなわちｐ側キャップ層と活性層との界面
から０．０３μｍの位置となる深さであり、第２の保護
膜を形成しないこと以外は、実施例１と同様にして、図
３に示すレーザ素子を作製した。

【００５９】得られたレーザ素子は、光出力上昇時の横
モードの安定性は、実施例３とほぼ同程度に、比較的出
力の広い領域にわたりキンクの発生が無く、素子寿命に
ついても５ｍＷの出力で１万時間を超し、良好なもので
あった。 ［実施例５］実施例４において、エッチング深さが、ｐ
側クラッド層の膜厚が０．０５μｍの位置となる深さで
あること除いて同様にしてレーザ素子を作製した。得ら
れたレーザ素子は、実施例４とほぼ同程度に横モードが
安定で、長寿命のレーザ素子であった。 ［実施例６］実施例１においてリッジ幅を１．２μｍと
する他は、同様にしてレーザ素子を作製した。

【００６０】得られたレーザ素子は、実施例１とほぼ同
等に、数ｍＷ〜数十ｍＷの広い光出力範囲において、キ
ンクの発生が無く、またその素子寿命も同等に長寿命で
良好なものであった。 ［比較例１］実施例４において、エッチング深さが、
０．２μｍの位置となる深さであること除いて同様にし
てレーザ素子を作製した。

【００６１】得られたレーザ素子は、横モードが不安定
性が素子ごとにばらつきがあり、出力が５ｍＷまでキン
クの発生の無いものが少なく、また素子寿命について
は、ある程度良好なものが得られる傾向にあるが、実施
例２に比べると不十分なものであった。 ［比較例２］エッチング深さを活性層に達する深さ、活
性層とｐ側キャップ層との界面より僅かに活性層側に至
る深さで行うことを除いて、実施例１と同様にしてレー
ザ素子を得た。

【００６２】得られたレーザ素子は、その素子寿命にお
いて、素子ごとにばらつきがあるものの、各実施例に比
べて大幅に低下し、５ｍＷでの発振において、１００時
間程度の素子寿命のものがほとんどであった。 ［比較例３］図４に示すように、ｎ側コンタクト層７に
至る深さでエッチングする他は、実施例５と同様にして
レーザ素子を得た。

【００６３】得られたレーザ素子は、比較例２と同様に
素子寿命は悪く、その様子を図６に示す。図６では、７
０℃、５ｍＷの条件であり、劣化速度が安定するまでに
大きく駆動電流値が上昇し、またその劣化速度も高く、
寿命特性の低さを示すものであった。また、横モードも
不安定であり、素子間にもばらつきが多く、特に光出力
が高くなるに従いその傾向は顕著であった。 ［比較例４］リッジ幅が３．５μｍであることを除い
て、実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。

【００６４】得られたレーザ素子は、横モードが不安定
で、加えてその横モードの安定性も素子間にかなりのば
らつきを有するものであり、３〜１０ｍＷの範囲でほと
んど全ての素子にキンクが発生していた。 ［変形例１]変形例として、基板の上に表１に示すｎ側
コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各層を順に積層
し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成
し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコンタ
クト層にｐ，ｎ電極を形成して、図１１に示すレーザ素
子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際
のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が
０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）
で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深
さである。

【００６５】

【表１】 得られるレーザ素子は、光ガイド層とｐ側キャップ層を
有しているレーザ素子に比べて、駆動電流が大幅に上昇
する傾向にあり、１００ｍＡ近傍のものもあった。 ［変形例２］変形例として、基板の上に表２に示すｎ側
コンタクト層〜ｐ側コンタクト層まで順に積層し、エッ
チングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にｎ
側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層に
ｐ，ｎ電極を形成して、図１２に示すレーザ素子を得
る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッ
チング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μ
ｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）で、活性層
よりも上（活性層に達しない深さ）となる深さである。

【００６６】

【表２】 得られるレーザ素子は、変形例１に比べて、駆動電流が
１０〜２０ｍＡ程度低くなる傾向にある。 ［変形例３］変形例として、基板の上に表３に示すｎ側
コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各層順に積層
し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成
し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコンタ
クト層にｐ，ｎ電極を形成して、図１３に示すレーザ素
子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際
のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が
０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）
で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深
さである。図では、ストライプ状のリッジ導波路がｐ側
光ガイド層１０に達する深さで形成されている。

【００６７】

【表３】 得られるレーザ素子は、ｐ側キャップ層を有するレーザ
素子に比べて、駆動電圧Ｖｆが、下がる傾向にあるもの
の、閾値電流が５〜６倍に上昇する傾向にあり、得られ
るレーザ素子の大部分がレーザ発振を示さない傾向にあ
る。 （長波長域のレーザ素子）本発明のレーザ素子におい
て、４５０ｎｍ以上、具体的には４５０以上５２０ｎｍ
以下の、青色〜緑色の長波長領域では、以下の層構成と
することが好ましい。ただし、本発明は、この波長域に
限定されるものではない。

【００６８】長波長域において、活性層として、井戸
層、障壁層に加えて、その間に中間層を設けることが発
振特性の向上につながり好ましい。

【００６９】短波長域、具体的には４５０ｎｍ以下の波
長域、に用いる活性層では、ＩｎＧａＮからなる井戸
層、その井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい
障壁層で挟んだ量子井戸構造で、具体的にはＩｎＧａＮ
からなる井戸層とその井戸層とは混晶比若しくは組成の
異なるＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層を用いる。このよ
うな構造として、障壁層／井戸層／障壁層の単一量子井
戸構造（ＳＱＷ）、井戸層と障壁層とを繰り返し積層し
た多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が用いられている。しか
し、この井戸層と障壁層とは、混晶比もしくは組成が異
なるため、それぞれの層成長時に適した温度が異なるこ
ととなり、その成長が困難な傾向になる。この場合、井
戸層の上に、それよりも成長温度を高くして障壁層を成
長することとなる。これは、Ｉｎを有する井戸層におい
て、障壁層成長時の昇温過程で、Ｉｎの分解が発生し、
発光ピークの鋭いものが得られなくなる。また、障壁層
を井戸層とほぼ同じ温度で形成したとしても、活性層の
形成後に続く、他の層（クラッド層、ガイド層）を形成
する際にも、良好な結晶成長のためには昇温過程が必要
となる。このような成長困難性は、発振波長が長くなる
につれて、顕著なものとなる傾向にあり、上記長波長域
では中間層を設けることが好ましい。

【００７０】このため、上記中間層を介することで、上
記昇温による問題を解決できる。この中間層を設けるこ
とで、上記Ｉｎの分解を部分的なものとして観察される
傾向にあり、また中間層そのもののが凹凸を呈する表面
形態として観察される傾向にあり、これらのことが駆動
電圧や閾値電圧の大幅な低下に寄与しているものと考え
られる。この中間層は、井戸層と障壁層との間に設ける
ものであり、そのバンドギャップエネルギーが、障壁層
よりも大きいものである。この中間層は、活性層がＭＱ
Ｗである場合には、少なくとも１層の井戸層上に設ける
必要があり、全ての井戸層の上に設けることで、井戸層
上の障壁層の全てについて上記問題が解決でき好まし
い。

【００７１】また、中間層の膜厚としては、障壁層の膜
厚より薄くして、１原子層以上１００Å以下の範囲とす
ることが好ましい。これは膜厚が１００Å以上となるこ
とで、中間層と障壁層との間にミニバンドが形成され、
発振特性が悪化する傾向にあるためである。この時の障
壁層としては、１０Å以上４００Å以下の範囲とする。
更に、中間層の組成として、好ましくはＡｌ_uＧａ_1-uＮ
（０≦ｕ≦１）とすることで、上記Ｉｎの部分的な分
解、中間層の表面形態による駆動電圧や閾値電圧の低下
傾向を示し、更に好ましくは、Ａｌ_vＧａ_1-vＮ（０．３
≦ｖ≦１）とすることで上記各電圧の低下を大きくする
ことができる。 ［変形例４］基板上に、以下の表４に示すｎ側コンタク
ト層〜ｐ側コンタクト層を順に積層して、レーザ素子構
造を形成した。次に、ストライプ幅１．８μｍ、ｐ側コ
ンタクト層側からｐ側キャップ層の膜厚が５００Åとな
る深さまで、エッチングすることで、ストライプ状のリ
ッジ導波路を形成し、その他は実施例と同様に、更にエ
ッチングによりｎ側コンタクト層を露出させ、各コンタ
クト層の上に、ｐ，ｎ電極を形成して、チップを取り出
してレーザ素子を得た。なお、図中１０８ａは中間層、
１０８ｂは井戸層、１０８ｃは障壁層を示すものであ
り、図１４は、活性層１０８の構造を拡大して模式的に
示している。

【００７２】

【表４】 得られたレーザ素子は、波長４５０nmであり、室温にお
いて閾値電流密度２．０ｋＡ／cm²、で１０００時間以
上の連続発振が確認された。これは、ストライプ状の導
波路形成時のエッチング深さが、ｐ側クラッド層の膜厚
が１μｍとなる位置よりも上であるレーザ素子に比べ
て、優れた素子寿命、横モードの制御性を示し、また、
エッチング深さがそれよりも深く、ｐ側光ガイド層に達
しない深さのレーザ素子に比べても、横モードの制御
性、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるアスペクト比に優れたものが
得られる。 ［変形例５］基板上に積層する素子構造が、以下の表５
の通りであることを除いて、変形例４と同様にして、レ
ーザ素子を得る。

【００７３】

【表５】 得られるレーザ素子は、発振波長が510nmであり、良好
なレーザ素子が得られる。変形例４に比べて、活性層を
ＭＱＷからＳＱＷとしたことによる素子特性の低下は僅
かなものとなる傾向にあるが、活性層中の中間層がＧａ
Ｎであることにより、中間層を設けることによる効果が
低くなる傾向がみられる。しかしながら、変形例４と同
様に、本発明のストライプ状の導波路を有することで、
横モードの安定性、素子寿命に優れたレーザ素子が得ら
れ、長波長域にも本発明は適用できる。 ［変形例６］実施例１と同様に、異種基板上にバッファ
層、下地層を形成した後、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm²ドー
プしたＧａＮを１００μｍの膜厚で成長させる。続い
て、ウエハの裏面、すなわち、窒化物半導体を成長させ
た異種基板の主面に対向する面側から、研磨して、基板
を除去し、窒化物半導体のみとする。

【００７４】次に、基板除去した面とは反対側の面の窒
化物半導体１０５を主面として、図１５に示すように、
実施例１と同様の、ｎ側クラッド層１０７、ｎ側光ガイ
ド層１０８、活性層１０９、ｐ側キャップ層１１０、ｐ
側光ガイド層１１１、ｐ側クラッド層１１２、ｐ側コン
タクト層１１３を順に積層する。続いても、実施例１と
同様に、７００℃でアニールを行いｐ型導電層を更に低
抵抗化し、反応容器からウェーハを取り出し、ＲＩＥ装
置に移して、エッチングにより幅約３μｍのストライプ
状の導波路を形成する。この時、エッチング深さは、ｐ
側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活
性層に近づく方向）で、活性層よりも上（活性層に達し
ない深さ）となる深さである。つづいて、ｐ側コンタク
ト層１１３の最上面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１２０
を形成し、このｐ電極１２０を除くエッチング露出面
に、ＳｉＯ2よりなる絶縁膜１６４を形成し、ｐ電極１
２０に電気的に接続する取り出し電極１２２を絶縁膜１
６４にまたがって形成し、ウェーハの裏面（ｎ側コンタ
クト層表面）にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極１２１、その
上にヒートシンクとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓ
ｎよりなる薄膜を形成する。最後に、ｎ電極１２１が設
けられたウェーハ面側からスクライブし、ＧａＮのＭ面
［（１１−００）面］でウェーハを劈開してバー状とし
た後、共振面を作製する。互いに対向する一対の共振面
の内、少なくとも一方にＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂よりなる誘電
体多層膜のミラーを設け、最後に共振器方向にほぼ垂直
に切断して、レーザ素子チップ得る。得られるレーザ素
子は、実施例１に比べて、ストライプ幅が広いために、
横モードの安定性に少し劣るものの、電流―光出力曲線
において、キンクの発生のない良好な特性を有してい
る。このことは、本発明がこのような設計変更に影響さ
れず、良好な素子特性の向上を奏しうることを示唆する
ものである。

【００７５】

【発明の効果】このように本発明によると、短波長のレ
ーザ素子が実現できるようになり、ＤＶＤ、ＣＤ等の書
き込み、読みとり光源として、また光ファイバー等の通
信用光源としてその産業上の利用価値は多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示
す模式断面図。

【図２】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。

【図３】本発明の方法の各工程を説明する模式断面図。

【図４】比較のために示すレーザ素子の模式断面図。

【図５】本発明の一実施例に係るレーザ素子の電流−光
出力特性図。

【図６】本発明の一実施例に係るレーザ素子の劣化によ
る駆動電流変化を示す図。

【図７】本発明におけるストライプ幅と単一横モード発
振との関係を示す図。

【図８】本発明におけるエッチング深さと単一横モード
発振との関係を示す図。

【図９】本発明におけるエッチング深さと駆動電流との
関係を示す図。

【図１０】本発明におけるエッチング深さと素子寿命と
の関係を示す図。

【図１１】本発明の変形例１に係るレーザ素子の模式断
面図。

【図１２】本発明の変形例２に係るレーザ素子の模式断
面図。

【図１３】本発明の変形例３に係るレーザ素子の模式断
面図。

【図１４】本発明の変形例４，５に係るレーザ素子の模
式断面図。

【図１５】本発明の変形例６に係るレーザ素子の模式断
面図。

【符号の説明】 １，１０１・・・異種基板 ２，１０２・・・バッファ層 ４，１０４・・・窒化物半導体層 ５，１０５・・・ｎ側コンタクト層 ６，１０６・・・クラック防止層 ７，１０７・・・ｎ側クラッド層 ８，１０８・・・ｎ側光ガイド層 ９，１０９・・・活性層 １０，１１０・・・ｐ側キャップ層 １１，１１１・・・ｐ側光ガイド層 １２，１１２・・・ｐ側クラッド層 １３，１１３・・・ｐ側コンタクト層 ６１，１６１・・・第１の保護膜 ６２，１６２・・・第２の保護膜 ６３，１６３・・・第３の保護膜 ２０，１２０・・・ｐ電極 ２１，１２１・・・ｎ電極 ２２，１２２・・・ｐパッド電極 ２３，１２３・・・ｎパッド電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活性層と、その上に第１のｐ型窒化物半
   導体を含むｐ側クラッド層と、その上に第２のｐ型窒化
   物半導体を含むｐ側コンタクト層とが少なくとも順に積
   層され、該積層されたｐ側コンタクト層側からエッチン
   グされて、ストライプ状の導波路領域が設けられた窒化
   物半導体レーザ素子であって、前記エッチングにより設
   けられたストライプの幅が、１〜３μｍの範囲であり、
   前記エッチングの深さが、活性層よりも上で、前記ｐ側
   クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置よりも下であ
   り、前記エッチングにより露出されたストライプの両側面及
   びその外側に連続した窒化物半導体の平面に窒化物半導
   体よりも屈折率の小さい絶縁膜有し、該絶縁膜上及び前
   記リッジ上のｐ型コンタクト層上に渡る領域にｐ電極を
   有し、該ｐ電極上に、取り出し電極を設けるための領域
   以外に誘電体保護膜を有する ことを特徴とする窒化物半
   導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記絶縁膜はＳｉ酸化物以外の絶縁膜で
   ある請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記ストライプの幅が、１．２〜２μｍ
   であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半
   導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記絶縁膜がＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈ
   ｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元
   素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の
   少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１に記
   載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記ストライプ状の導波路領域が、以下
   の第１〜第４の工程を具備することにより形成されるこ
   とを特徴とする請求項１乃至５記載の窒化物半導体レー
   ザ素子。 第１のｐ型窒化物半導体を含むｐ側クラッド層の上に、
   第２のｐ型窒化物半導体を含むｐ側コンタクト層を積層
   した後、そのｐ側コンタクト層の表面に、ストライプ状
   の第１の保護膜を形成する第１の工程 第１の保護膜を介して、該第１の保護膜が形成されてい
   ない部分の窒化物半導体をエッチングして、保護膜直下
   部分にストライプ状の導波路領域を形成する第２の工程 第２の工程後、第１の保護膜と異なる材料であって、絶
   縁性を有する第２の保護膜を、ストライプ導波路の側面
   及びエッチングされて露出した窒化物半導体層の平面に
   形成する第３の工程 第３の工程後、第１の保護膜を除去し、その後、第２の
   保護膜上及び前記ｐ側コンタクト層表面にｐ電極を形成
   し、そのｐ電極上に、取り出し電極を設けるための領域
   以外に誘電体保護膜を有する第４の工程