JP3656454B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎbＡｌcＧａ1-b-cＮ、０≦ｂ、０≦ｃ、ｂ＋ｃ＜１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者は、実用可能な窒化物半導体レーザ素子として、例えばJpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998）pp.L309-L312、Part2,No.3B,15 March 1998の文献に素子構造を提案している。
上記文献の技術は、サファイア基板上部に、部分的に形成されたＳｉＯ2膜を介して選択成長された転位の少ないＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層を複数積層してなる素子とすることで、室温での連続発振１万時間以上を可能とするものである。素子構造としては、選択成長された窒化物半導体基板上に、ｎ−ＡｌkＧａ1-kＮ（０≦ｋ＜１）よりなるｎ型コンタクト層、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層、ｎ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｎ型クラッド層、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層、ｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｐ型クラッド層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層により構成されている。
【０００３】
さらにこのレーザ素子は、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）が良好な単一の横モードとなるようにｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層の一部までを部分的にエッチングした、リッジ構造をとっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような屈折率導波型構造で高出力タイプの窒化物半導体レーザ素子を実現するためにはエッチングする位置としては、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差を１００分の１のオーダーで制御する必要があり、それにはｐ型クラッド層がほんの一部だけ残るまで、すなわちｐ型光ガイド層の直前までの０．０１μｍ以下の精度でエッチングしてリッジを形成しなければならない。それには上記の構造でも可能ではあるが、歩留の点で問題があった。
【０００５】
そこで本発明ではリッジ形成のためのエッチングを必要としない新規な素子構造を提供することで、高出力タイプ（例えば３０ｍＷ）でも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなるような窒化物半導体レーザ素子を得ることが可能になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、下記（１）〜（８）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（１） 活性層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層の上に、ＳｉＯＮから成り、且つストライプ状の開口部を有する第１の絶縁膜が形成され、さらに前記開口部より第２のｐ型窒化物半導体層が選択成長されることによって、該第２のｐ型窒化物半導体にリッジが形成されており、前記リッジの側面および前記第１の絶縁膜表面にはＺｒＯ ２ 、又はＳｉＯ ２ から成る第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記第１のｐ型窒化物半導体層と第２のｐ型窒化物半導体層が同じ組成を有することを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００７】
（３） 前記ストライプ状の開口部は３μｍ以下であることを特徴とする前記（１）ないし（２）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記第１のｐ型窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であり、第２のｐ型窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１かつＸ＜Ｙ）を有するクラッド層であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００８】
（５） 前記第１および第２のｐ型窒化物半導体層はいずれもＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であることを特徴とする前記（２）または（３）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記第１の絶縁膜はストライプ幅が２μｍ以上２００μｍ以下、膜厚が０．５μｍ以下であることを特徴とする前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００９】
（７） 前記リッジの最上層表面には電極が形成されていることを特徴とする前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（８） 前記窒化物半導体レーザ素子は少なくともエピタキシャル成長されたＧａＮを含んだ基板上に窒化物半導体が積層されてなるものであることを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【００１０】
つまり本発明は、活性層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層の上にストライプ状の開口部を有する第１の絶縁膜を形成することで、次に形成する第２のｐ型窒化物半導体層は前記開口部より選択成長していく。すなわちこの窒化物半導体レーザ素子は、エッチングによってリッジを形成する必要がなくなり、窒化物半導体層を積層していくだけで、所望の屈折率差が得られるようになる。さらにエッチングによってリッジを形成するよりも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなる素子が得られるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１のｐ型窒化物半導体層の上に形成する第１の絶縁膜を開口部を有するストライプ状とすることで、第１の絶縁膜形成後の第２のｐ型窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）で成長させるとき、窒化物半導体は、絶縁膜と絶縁膜との間の開口部から上方（積層方向）に選択成長される。選択成長されることにより窒化物半導体はエッチングをすることなく既にリッジ状になっており、新たにリッジを形成することなくＦＦＰ（ファーフィールドパターン）が良好な単一の横モードを得ることができる。また、この絶縁膜と絶縁膜との間の開口部の幅は３μｍ以下とする。３μｍより大きいと、発振は単一の横モードでなく、多モードとなってしまう。さらに開口部の幅は１μｍ以上２μｍ以下とすることが望ましい。
【００１２】
本発明において、前記第１の絶縁膜の膜厚は、好ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下とし、好ましくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下とする。このように第１の絶縁膜は薄ければ薄いほど好ましい。この第１の絶縁膜を厚く形成すると、第２のｐ型窒化物半導体をＭＯＶＰＥで成長させるとき、絶縁膜と絶縁膜との間の開口部に、原料ガスやキャリアガスなどが効率的に当たらなくなってしまい、結晶性が悪くなってしまう。
【００１３】
本発明において第１の絶縁膜のストライプ幅は、２μｍ以上２００μｍ以下にすることが望ましい。ストライプ幅を２μｍ以上とするのは、リッジ状に形成された窒化物窒化物半導体をｐ電極で覆い被せるとき、ｐ電極の端部が絶縁膜上にあるようにするためである。ストライプ幅が小さいと、ｐ電極が第１の絶縁膜すべてを覆ってしまい、さらにｐ電極の端部が第１の絶縁膜下の第１のｐ型窒化物半導体まで達するおそれがあり、通電してしまうとレーザとして発振しなくなってしまう。さらに好ましくはストライプ幅を１０μｍ以上とする。またストライプ幅が２００μｍより大きいと、第２の窒化物半導体を形成するとき、第１の絶縁膜の開口部から窒化物半導体が選択成長されるだけでなく、第１の絶縁膜上からも窒化物半導体が成長してしまう。この絶縁膜上から成長する窒化物半導体は非常に転位が多く、さらに選択成長された窒化物半導体と結合してしまい、この絶縁膜上の窒化物半導体をエッチングしないとリッジ状にならなくなってしまうので好ましくない。
【００１４】
また、前記第１の絶縁膜はＭＯＶＰＥ反応雰囲気に耐えることのできるものとする。この条件を満たす物質としては、例えばＳｉＯＮ（ＳｉＮ、ＳｉＯ2の化合物）、ＳｉＮ、ＳｉＯ2などが挙げられ、いずれの物質を用いても良いが、好ましくはＳｉＯＮを用いる。ＳｉＯＮは、化学的に非常に安定な物質であり、この膜を極端に薄くしても分解などは起こらない。
【００１５】
また、リッジの側面および第１の絶縁膜表面に形成される第２の絶縁膜は、屈折率がＧａＮより小さい材料であればよく、例えばＺｒＯ2やＳｉＯ2があるが、好ましい材料としてはＺｒＯ2が挙げられる。この材料によって、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差が決まる。
【００１６】
また、ｐ型光ガイド層は少なくともＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）層を有し、またｐ型クラッド層は少なくともＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ＜１かつＸ＜Ｙ）を有していればよく、例えばどちらも後述の実施例のような構造が挙げられる。これらの層の一部またはすべては、これらを形成する前にストライプ状の第１の絶縁膜を形成するためにウエハーを一度ＭＯＶＰＥ反応容器から外に出してしまうので、転位などが発生し、結晶性は若干悪くなってしまう。しかし、活性層までは結晶性が良く、転位もほとんどないので、本発明の構造は、高出力でもＦＦＰが良好な単一横モードとなる本発明の目的を十分達成しうるものである。
【００１７】
さらに、以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図１を用いて説明する。
図１はサファイア基板１上に、窒化物半導体基板２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層５、活性層６、ｐ側キャップ層７、ｐ型光ガイド層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０が順に積層された構造を有する。さらに、ｎ型コンタクト層３上にｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を、ｐ型コンタクト層１０上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３がそれぞれ形成されている。
【００１８】
本発明において、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（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている基板材料を用い、またこれらをオフアングルしたものを用いることができる。さらにこれらの基板材料は後述の選択成長で用いられる異種基板としても用いることができる。
【００１９】
また、本発明において、基板としては上記基板材料と、この上に窒化物半導体の横方向の成長を利用して選択成長させた転位の少ない窒化物半導体とを有する材料を基板とすることができる。
【００２０】
窒化物半導体の選択成長の方法としては、特に限定されず、窒化物半導体の結晶転位を低減できる方法であればよい。例えば、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の方法、本出願人が提出した特願平１０−７７２４５号、特願平１０−２７５８２６号、特願平１０−３６３５２０号の各明細書に記載の方法等を挙げることができ、これらの方法によってＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Overgrowth GaN）と呼ばれる基板が得られる。
【００２１】
本発明では、このＥＬＯＧ基板を用いることが望ましい。ＥＬＯＧ基板を用いることで、少なくとも第１のｐ型ＧａＮまでは非常に結晶転位の少ない窒化物半導体が得られ、高出力でも特性のよい窒化物半導体レーザが得られる。
【００２２】
また、本発明において、その他の活性層、クラッド層等のデバイス構造としては、特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。デバイス構造の具体的な実施の形態としては、例えば後述の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。また、電極等も特に限定されず種々のものを用いることができる。本発明において、窒化物半導体の成長はＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られているすべての方法を適用できる。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
（窒化物半導体基板２）
図１に示すようにＡ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意し、まずサファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００２４】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向はオリフラ面に対して垂直に形成する。
【００２５】
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００２６】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板（ＥＬＯＧ基板）２を得る。
【００２７】
（ｎ型コンタクト層３）
次に得られた窒化物半導体基板２上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２８】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００２９】
（ｎ型光ガイド層５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３０】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎＧａＮよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００３１】
（ｐ側キャップ層７）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
（ｐ型光ガイド層８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層９を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。
このｐ型光ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャップ層７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。またこの層は意図的にＭｇをドープしても良い。
以上までの層を積層した後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出す。
【００３３】
（第１の絶縁膜３０）
次にＣＶＤ装置に移し、ＳｉＯＮよりなる第１の絶縁膜３０をサファイアのオリフラ面に対して垂直にストライプ状に形成する。この絶縁膜３０は、マスク技術を用いてストライプ幅１０μｍ、開口部１．５μｍ、膜厚５００オングストロームとする。
【００３４】
（ｐ型クラッド層９）
次に、ＣＶＤ装置から取り出し、再びＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００３５】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３６】
反応終了後、反応容器内において、ウエハーを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００３７】
さらにそれぞれのコンタクト層上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３、ｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を、その他のｐ側層のリッジ側面および第１の絶縁膜３０表面には第２の絶縁膜３１としてＺｒＯ2を形成する。第２の絶縁膜としてＺｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁がとれるだけでなく、横モードの安定を図ることもでき好ましい。
【００３８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハー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、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。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。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの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。
【００３９】
その結果、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示し、さらに歩留を挙げることができた。
【００４０】
［実施例２］
実施例１において、活性層６およびｐ側キャップ層７までは同様に形成する。（ｐ型光ガイド層８および第１の絶縁膜３０）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ｐ型光ガイド層８の一部として、アンドープのＧａＮを５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
以上ｐ型光ガイド層の一部までを積層した後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出す。続いてウエハーをＣＶＤ装置に移し、ＳｉＯＮよりなる第１の絶縁膜３０をサファイアのオリフラ面に対して垂直にストライプ状に形成する。この絶縁膜３０は、マスク技術を用いてストライプ幅１０μｍ、開口部１．５μｍ、膜厚５００オングストロームとする。
【００４２】
さらに、ＣＶＤ装置から取り出し、再びＭＯＶＰＥ反応容器にセットし、アンドープのＧａＮを７００オングストロームの膜厚で成長させる。これにより、アンドープのＧａＮはストライプ状に形成した絶縁膜の開口部から選択成長するので、ｐ型光ガイド層は総膜厚７５０オングストロームの、部分的に絶縁膜を挟んだ層となる。
【００４３】
以下、ｐ型クラッド層以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。このレーザ素子は実施例１と同様に室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４４】
［実施例３］
実施例１において、第１の絶縁膜３０の膜厚を１０００オングストロームにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。室温においてしきい値２．３ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、８００時間以上の寿命を示した。
【００４５】
［実施例４］
実施例１において、ストライプ状に形成した第１の絶縁膜３０の開口部を２μｍにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
その結果、しきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、８００時間以上の寿命を示した。
【００４６】
［実施例５］
実施例１において、第１の絶縁膜３０をＳｉＮとした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
その結果、実施例１と同様にしきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４７】
［実施例６］
実施例１において、窒化物半導体を作製する際に用いるサファイア基板を、Ｃ面を主面とし、Ａ面がオリフラ面として形成されており、さらにステップ上にオフアングルされ、そのオフ角が０．１３°、ステップに沿う方向（段差方向）がＡ面に垂直に形成された基板を用いる。
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この結果、室温においてしきい値１．８ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４８】
［実施例７］
実施例１において、窒化物半導体基板を以下のようにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
（窒化物半導体基板２）
図１に示すようにＡ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意し、まずサファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００４９】
次にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
保護膜形成後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させ、これを窒化物半導体基板とする。
【００５０】
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この結果、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００５１】
［実施例８］
実施例１において、窒化物半導体基板および電極を以下のようにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
（窒化物半導体基板２’）
Ａ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板上にＭＯＶＰＥ反応容器内で５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００５２】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向はオリフラ面に対して垂直に形成する。
【００５３】
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００５４】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。続いて、ＨＶＰＥで１５０μｍの膜厚ＳｉドープのＧａＮを作製する。次に得られたウエハーのサファイア基板およびＭＯＶＰＥにより作製したアンドープのＧａＮ層を研磨、除去し厚さが約１００μｍのＧａＮ基板２’を得た。
【００５５】
得られたＧａＮ基板２’上にｎ型コンタクト層３からｐ型コンタクト層１０までを実施例１と同様にして作製する。
反応終了後、反応容器内において、ウエハーを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５６】
アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、ｐ型コンタクト層上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３を、その他のリッジ側面および第１の絶縁膜表面には第２の絶縁膜３１としてＺｒＯ2を形成し、窒化物半導体の素子構造が形成されていない表面をさ研磨し、総膜厚を１００μｍ〜２００μｍとする。その研磨表面の全面に、ｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を形成する。
【００５７】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハーをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面（Ｍ面）に共振器を作製する。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３に示すようなレーザ素子とする。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの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。
【００５８】
その結果、実施例１と同様に、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００５９】
【発明の効果】
本発明のような素子構造にすることによって、高出力タイプでも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなるよう窒化物半導体レーザ素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・サファイア基板
２・・・窒化物半導体基板
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・ｎ型光ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ側キャップ層
８・・・ｐ型光ガイド層
９・・・ｐ型クラッド層
１０・・・ｐ型コンタクト層
２０・・・ｎオーミック電極
２１・・・ｎパッド電極
２２・・・ｐオーミック電極
２３・・・ｐパッド電極
３０・・・第１の絶縁膜
３１・・・第２の絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎbＡｌcＧａ1-b-cＮ、０≦ｂ、０≦ｃ、ｂ＋ｃ＜１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者は、実用可能な窒化物半導体レーザ素子として、例えばJpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998）pp.L309-L312、Part2,No.3B,15 March 1998の文献に素子構造を提案している。
上記文献の技術は、サファイア基板上部に、部分的に形成されたＳｉＯ2膜を介して選択成長された転位の少ないＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層を複数積層してなる素子とすることで、室温での連続発振１万時間以上を可能とするものである。素子構造としては、選択成長された窒化物半導体基板上に、ｎ−ＡｌkＧａ1-kＮ（０≦ｋ＜１）よりなるｎ型コンタクト層、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層、ｎ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｎ型クラッド層、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ／Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層、ｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｐ型クラッド層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層により構成されている。
【０００３】
さらにこのレーザ素子は、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）が良好な単一の横モードとなるようにｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層の一部までを部分的にエッチングした、リッジ構造をとっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような屈折率導波型構造で高出力タイプの窒化物半導体レーザ素子を実現するためにはエッチングする位置としては、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差を１００分の１のオーダーで制御する必要があり、それにはｐ型クラッド層がほんの一部だけ残るまで、すなわちｐ型光ガイド層の直前までの０．０１μｍ以下の精度でエッチングしてリッジを形成しなければならない。それには上記の構造でも可能ではあるが、歩留の点で問題があった。
【０００５】
そこで本発明ではリッジ形成のためのエッチングを必要としない新規な素子構造を提供することで、高出力タイプ（例えば３０ｍＷ）でも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなるような窒化物半導体レーザ素子を得ることが可能になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、下記（１）〜（８）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（１） 活性層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層の上に、ＳｉＯＮから成り、且つストライプ状の開口部を有する第１の絶縁膜が形成され、さらに前記開口部より第２のｐ型窒化物半導体層が選択成長されることによって、該第２のｐ型窒化物半導体にリッジが形成されており、前記リッジの側面および前記第１の絶縁膜表面にはＺｒＯ ２ 、又はＳｉＯ ２ から成る第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記第１のｐ型窒化物半導体層と第２のｐ型窒化物半導体層が同じ組成を有することを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００７】
（３） 前記ストライプ状の開口部は３μｍ以下であることを特徴とする前記（１）ないし（２）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記第１のｐ型窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であり、第２のｐ型窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１かつＸ＜Ｙ）を有するクラッド層であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００８】
（５） 前記第１および第２のｐ型窒化物半導体層はいずれもＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であることを特徴とする前記（２）または（３）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記第１の絶縁膜はストライプ幅が２μｍ以上２００μｍ以下、膜厚が０．５μｍ以下であることを特徴とする前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００９】
（７） 前記リッジの最上層表面には電極が形成されていることを特徴とする前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
（８） 前記窒化物半導体レーザ素子は少なくともエピタキシャル成長されたＧａＮを含んだ基板上に窒化物半導体が積層されてなるものであることを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【００１０】
つまり本発明は、活性層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層の上にストライプ状の開口部を有する第１の絶縁膜を形成することで、次に形成する第２のｐ型窒化物半導体層は前記開口部より選択成長していく。すなわちこの窒化物半導体レーザ素子は、エッチングによってリッジを形成する必要がなくなり、窒化物半導体層を積層していくだけで、所望の屈折率差が得られるようになる。さらにエッチングによってリッジを形成するよりも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなる素子が得られるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１のｐ型窒化物半導体層の上に形成する第１の絶縁膜を開口部を有するストライプ状とすることで、第１の絶縁膜形成後の第２のｐ型窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）で成長させるとき、窒化物半導体は、絶縁膜と絶縁膜との間の開口部から上方（積層方向）に選択成長される。選択成長されることにより窒化物半導体はエッチングをすることなく既にリッジ状になっており、新たにリッジを形成することなくＦＦＰ（ファーフィールドパターン）が良好な単一の横モードを得ることができる。また、この絶縁膜と絶縁膜との間の開口部の幅は３μｍ以下とする。３μｍより大きいと、発振は単一の横モードでなく、多モードとなってしまう。さらに開口部の幅は１μｍ以上２μｍ以下とすることが望ましい。
【００１２】
本発明において、前記第１の絶縁膜の膜厚は、好ましくは１０オングストローム以上、０．５μｍ以下とし、好ましくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下とする。このように第１の絶縁膜は薄ければ薄いほど好ましい。この第１の絶縁膜を厚く形成すると、第２のｐ型窒化物半導体をＭＯＶＰＥで成長させるとき、絶縁膜と絶縁膜との間の開口部に、原料ガスやキャリアガスなどが効率的に当たらなくなってしまい、結晶性が悪くなってしまう。
【００１３】
本発明において第１の絶縁膜のストライプ幅は、２μｍ以上２００μｍ以下にすることが望ましい。ストライプ幅を２μｍ以上とするのは、リッジ状に形成された窒化物窒化物半導体をｐ電極で覆い被せるとき、ｐ電極の端部が絶縁膜上にあるようにするためである。ストライプ幅が小さいと、ｐ電極が第１の絶縁膜すべてを覆ってしまい、さらにｐ電極の端部が第１の絶縁膜下の第１のｐ型窒化物半導体まで達するおそれがあり、通電してしまうとレーザとして発振しなくなってしまう。さらに好ましくはストライプ幅を１０μｍ以上とする。またストライプ幅が２００μｍより大きいと、第２の窒化物半導体を形成するとき、第１の絶縁膜の開口部から窒化物半導体が選択成長されるだけでなく、第１の絶縁膜上からも窒化物半導体が成長してしまう。この絶縁膜上から成長する窒化物半導体は非常に転位が多く、さらに選択成長された窒化物半導体と結合してしまい、この絶縁膜上の窒化物半導体をエッチングしないとリッジ状にならなくなってしまうので好ましくない。
【００１４】
また、前記第１の絶縁膜はＭＯＶＰＥ反応雰囲気に耐えることのできるものとする。この条件を満たす物質としては、例えばＳｉＯＮ（ＳｉＮ、ＳｉＯ2の化合物）、ＳｉＮ、ＳｉＯ2などが挙げられ、いずれの物質を用いても良いが、好ましくはＳｉＯＮを用いる。ＳｉＯＮは、化学的に非常に安定な物質であり、この膜を極端に薄くしても分解などは起こらない。
【００１５】
また、リッジの側面および第１の絶縁膜表面に形成される第２の絶縁膜は、屈折率がＧａＮより小さい材料であればよく、例えばＺｒＯ2やＳｉＯ2があるが、好ましい材料としてはＺｒＯ2が挙げられる。この材料によって、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差が決まる。
【００１６】
また、ｐ型光ガイド層は少なくともＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）層を有し、またｐ型クラッド層は少なくともＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ＜１かつＸ＜Ｙ）を有していればよく、例えばどちらも後述の実施例のような構造が挙げられる。これらの層の一部またはすべては、これらを形成する前にストライプ状の第１の絶縁膜を形成するためにウエハーを一度ＭＯＶＰＥ反応容器から外に出してしまうので、転位などが発生し、結晶性は若干悪くなってしまう。しかし、活性層までは結晶性が良く、転位もほとんどないので、本発明の構造は、高出力でもＦＦＰが良好な単一横モードとなる本発明の目的を十分達成しうるものである。
【００１７】
さらに、以下に本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子の構造を示す窒化物半導体素子の模式的断面図である図１を用いて説明する。
図１はサファイア基板１上に、窒化物半導体基板２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層５、活性層６、ｐ側キャップ層７、ｐ型光ガイド層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０が順に積層された構造を有する。さらに、ｎ型コンタクト層３上にｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を、ｐ型コンタクト層１０上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３がそれぞれ形成されている。
【００１８】
本発明において、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（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている基板材料を用い、またこれらをオフアングルしたものを用いることができる。さらにこれらの基板材料は後述の選択成長で用いられる異種基板としても用いることができる。
【００１９】
また、本発明において、基板としては上記基板材料と、この上に窒化物半導体の横方向の成長を利用して選択成長させた転位の少ない窒化物半導体とを有する材料を基板とすることができる。
【００２０】
窒化物半導体の選択成長の方法としては、特に限定されず、窒化物半導体の結晶転位を低減できる方法であればよい。例えば、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の方法、本出願人が提出した特願平１０−７７２４５号、特願平１０−２７５８２６号、特願平１０−３６３５２０号の各明細書に記載の方法等を挙げることができ、これらの方法によってＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Overgrowth GaN）と呼ばれる基板が得られる。
【００２１】
本発明では、このＥＬＯＧ基板を用いることが望ましい。ＥＬＯＧ基板を用いることで、少なくとも第１のｐ型ＧａＮまでは非常に結晶転位の少ない窒化物半導体が得られ、高出力でも特性のよい窒化物半導体レーザが得られる。
【００２２】
また、本発明において、その他の活性層、クラッド層等のデバイス構造としては、特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。デバイス構造の具体的な実施の形態としては、例えば後述の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。また、電極等も特に限定されず種々のものを用いることができる。本発明において、窒化物半導体の成長はＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られているすべての方法を適用できる。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
（窒化物半導体基板２）
図１に示すようにＡ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意し、まずサファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００２４】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向はオリフラ面に対して垂直に形成する。
【００２５】
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００２６】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板（ＥＬＯＧ基板）２を得る。
【００２７】
（ｎ型コンタクト層３）
次に得られた窒化物半導体基板２上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２８】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００２９】
（ｎ型光ガイド層５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３０】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎＧａＮよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００３１】
（ｐ側キャップ層７）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
（ｐ型光ガイド層８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層９を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。
このｐ型光ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャップ層７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。またこの層は意図的にＭｇをドープしても良い。
以上までの層を積層した後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出す。
【００３３】
（第１の絶縁膜３０）
次にＣＶＤ装置に移し、ＳｉＯＮよりなる第１の絶縁膜３０をサファイアのオリフラ面に対して垂直にストライプ状に形成する。この絶縁膜３０は、マスク技術を用いてストライプ幅１０μｍ、開口部１．５μｍ、膜厚５００オングストロームとする。
【００３４】
（ｐ型クラッド層９）
次に、ＣＶＤ装置から取り出し、再びＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００３５】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３６】
反応終了後、反応容器内において、ウエハーを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００３７】
さらにそれぞれのコンタクト層上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３、ｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を、その他のｐ側層のリッジ側面および第１の絶縁膜３０表面には第２の絶縁膜３１としてＺｒＯ2を形成する。第２の絶縁膜としてＺｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁がとれるだけでなく、横モードの安定を図ることもでき好ましい。
【００３８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハー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、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。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。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの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。
【００３９】
その結果、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示し、さらに歩留を挙げることができた。
【００４０】
［実施例２］
実施例１において、活性層６およびｐ側キャップ層７までは同様に形成する。（ｐ型光ガイド層８および第１の絶縁膜３０）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ｐ型光ガイド層８の一部として、アンドープのＧａＮを５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
以上ｐ型光ガイド層の一部までを積層した後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器から取り出す。続いてウエハーをＣＶＤ装置に移し、ＳｉＯＮよりなる第１の絶縁膜３０をサファイアのオリフラ面に対して垂直にストライプ状に形成する。この絶縁膜３０は、マスク技術を用いてストライプ幅１０μｍ、開口部１．５μｍ、膜厚５００オングストロームとする。
【００４２】
さらに、ＣＶＤ装置から取り出し、再びＭＯＶＰＥ反応容器にセットし、アンドープのＧａＮを７００オングストロームの膜厚で成長させる。これにより、アンドープのＧａＮはストライプ状に形成した絶縁膜の開口部から選択成長するので、ｐ型光ガイド層は総膜厚７５０オングストロームの、部分的に絶縁膜を挟んだ層となる。
【００４３】
以下、ｐ型クラッド層以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。このレーザ素子は実施例１と同様に室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４４】
［実施例３］
実施例１において、第１の絶縁膜３０の膜厚を１０００オングストロームにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。室温においてしきい値２．３ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、８００時間以上の寿命を示した。
【００４５】
［実施例４］
実施例１において、ストライプ状に形成した第１の絶縁膜３０の開口部を２μｍにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
その結果、しきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、８００時間以上の寿命を示した。
【００４６】
［実施例５］
実施例１において、第１の絶縁膜３０をＳｉＮとした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
その結果、実施例１と同様にしきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４７】
［実施例６］
実施例１において、窒化物半導体を作製する際に用いるサファイア基板を、Ｃ面を主面とし、Ａ面がオリフラ面として形成されており、さらにステップ上にオフアングルされ、そのオフ角が０．１３°、ステップに沿う方向（段差方向）がＡ面に垂直に形成された基板を用いる。
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この結果、室温においてしきい値１．８ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００４８】
［実施例７］
実施例１において、窒化物半導体基板を以下のようにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
（窒化物半導体基板２）
図１に示すようにＡ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意し、まずサファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００４９】
次にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
保護膜形成後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させ、これを窒化物半導体基板とする。
【００５０】
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。この結果、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００５１】
［実施例８］
実施例１において、窒化物半導体基板および電極を以下のようにした他は同様にしてレーザ素子を作製した。
（窒化物半導体基板２’）
Ａ面がオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板上にＭＯＶＰＥ反応容器内で５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００５２】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向はオリフラ面に対して垂直に形成する。
【００５３】
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００５４】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。続いて、ＨＶＰＥで１５０μｍの膜厚ＳｉドープのＧａＮを作製する。次に得られたウエハーのサファイア基板およびＭＯＶＰＥにより作製したアンドープのＧａＮ層を研磨、除去し厚さが約１００μｍのＧａＮ基板２’を得た。
【００５５】
得られたＧａＮ基板２’上にｎ型コンタクト層３からｐ型コンタクト層１０までを実施例１と同様にして作製する。
反応終了後、反応容器内において、ウエハーを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５６】
アニーリング後、ウエハーを反応容器から取り出し、ｐ型コンタクト層上にｐオーミック電極２２とｐパッド電極２３を、その他のリッジ側面および第１の絶縁膜表面には第２の絶縁膜３１としてＺｒＯ2を形成し、窒化物半導体の素子構造が形成されていない表面をさ研磨し、総膜厚を１００μｍ〜２００μｍとする。その研磨表面の全面に、ｎオーミック電極２０とｎパッド電極２１を形成する。
【００５７】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハーをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面（Ｍ面）に共振器を作製する。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３に示すようなレーザ素子とする。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの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。
【００５８】
その結果、実施例１と同様に、室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００５９】
【発明の効果】
本発明のような素子構造にすることによって、高出力タイプでも歩留が良く、ＦＦＰも良好な単一横モードとなるよう窒化物半導体レーザ素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・サファイア基板
２・・・窒化物半導体基板
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・ｎ型光ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ側キャップ層
８・・・ｐ型光ガイド層
９・・・ｐ型クラッド層
１０・・・ｐ型コンタクト層
２０・・・ｎオーミック電極
２１・・・ｎパッド電極
２２・・・ｐオーミック電極
２３・・・ｐパッド電極
３０・・・第１の絶縁膜
３１・・・第２の絶縁膜
Claims (8)
- 活性層上に形成された第１のｐ型窒化物半導体層の上に、ＳｉＯＮから成り、且つストライプ状の開口部を有する第１の絶縁膜が形成され、さらに前記開口部より第２のｐ型窒化物半導体層が選択成長されることによって、該第２のｐ型窒化物半導体にリッジが形成されており、前記リッジの側面および前記第１の絶縁膜表面にはＺｒＯ ２ 、又はＳｉＯ ２ から成る第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第１のｐ型窒化物半導体層と第２のｐ型窒化物半導体層が同じ組成を有す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。
- 前記ストライプ状の開口部は３μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第１のｐ型窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であり、第２のｐ型窒化物半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１かつＸ＜Ｙ）を有するクラッド層であ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。
- 前記第１および第２のｐ型窒化物半導体層はいずれもＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）層を有する光ガイド層であることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第１の絶縁膜はストライプ幅が２μｍ以上２００μｍ以下、膜厚が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記リッジの最上層表面には電極が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体レーザ素子は少なくともエピタキシャル成長されたＧａＮを含んだ基板上に窒化物半導体が積層されてなるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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