JP3734740B2

JP3734740B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3734740B2
Application number: JP2001335948A
Authority: JP
Inventors: 信之大塚; 隆石丸
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: JP2002204029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低出力時における雑音特性が向上する半導体発光素子、その製造方法及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は倉又他：ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス３７（１９９８）L1373 (A. Kuramata et al., Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) L1373)。等に開示されている、従来の屈折率導波型の半導体レーザ素子を示している。
【０００３】
ｐ電極５からｎ電極７に駆動電流を流すことにより、発光層３から青色のレーザ光（発光光）を得る。ここでは、高出力レーザ素子を実現するために、キャビティ全体に駆動電流が均一に注入されるように、各半導体層の厚みはほぼ一定となっている。また、ｐ電極５とｎ電極７との間隔は一定となるように設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示したような半導体レーザ素子を用いて、光ディスク装置、例えば高密度デジタルバーサタイル（ビデオ）ディスク（ＨＤ−ＤＶＤ）装置に対して書き込み動作を行なう際に、紫色レーザ光を用いる場合には３０ｍＷ以上の出力値が必要となる。逆に、読み出し動作時の紫色レーザ光の出力値は１ｍＷ程度と小さくする必要がある。
【０００５】
ところが、読み出し動作時において、従来の半導体レーザ素子は、駆動電流に高周波を重畳したとしても、出力値を低下するに従って相対雑音強度が増大してしまうという問題がある。これは、レーザ発振をその発振閾値とほぼ同等の注入電流値で行なわせるため、レーザ発振の緩和振動の影響によって相対雑音強度が増大するためである。
【０００６】
また、レーザ発振の閾値電流と同程度の注入電流値で発振させることから、単一モード性が低下してしまい、マルチモード成分が生ずることにより、相対雑音強度が増大することにもなる。
【０００７】
相対雑音強度を低減するには、緩和振動周波数を大きくする必要がある。その方法の１つに微分利得を増大することが考えられる。レーザ発振の微分利得を増大するには、光吸収領域を形成することにより、発振閾値を大きくすれば良い。
【０００８】
また、他の方法として、スロープ効率（微分効率）を低下させて、１ｍＷ程度のレーザ出力に必要な電流値を増大させることにより、動作電流値を発振閾値よりも大きく設定するようにすれば良い。
【０００９】
なお、半導体レーザ素子の雑音を低減するには、共振器端面の反射率を増大することによっても実現することができるが、この場合はレーザ光の出力（光出力）値も低下してしまう。従って、前述したように、ＨＤ−ＤＶＤ装置が書き込み動作を行なう際には高出力な発光光が必要となるため、光出力値が低下してしまうような端面反射率を増大させるという手段を採ることはできない。
【００１０】
また、半導体レーザ素子に自励発振を生じさせる場合には、発光層３又はその近傍に半導体からなる光吸収層を設ける必要がある。しかしながら、このような光吸収層を半導体レーザ装置自体に設けると、高出力値を得にくいという問題がある。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題を解決し、低出力時においても相対雑音強度が小さい半導体発光素子を実現できるようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、発光層に対して電流を不均一に注入する構成とする。すなわち、光ディスクにおける読み出し動作のような低出力動作時には、駆動電流がストライプ形状を持つキャビティの一部にのみ注入されるようにして、キャビティ内の電流密度をストライプ方向に変化させる。
【００１３】
窒化物半導体結晶の場合には、ｐ型結晶の抵抗率が大きいため、ｐ型結晶の厚みを変えるだけでシリーズ抵抗値が変化するので、キャビティに電流を不均一に注入することができる。
【００１４】
また、コンタクト層の表面に高ドーピング領域を設けることにより、コンタクト抵抗を下げることができるため、高ドーピング領域を部分的に形成することによっても、キャビティに電流を不均一に注入することが可能となる。
【００１５】
また、サファイア基板等の絶縁性基板上にレーザ素子構造を形成した場合には、ｎ型結晶の厚みは２μｍ程度となり、導電性基板を用いた場合と比べてｎ型結晶中での電流の拡散を抑制することができる。その結果、ｎ電極とキャビティとの間隔を変えることによっても、該キャビティに電流を不均一に注入することができる。
【００１６】
また、キャビティ上の一部に複数回に分けて電極を蒸着することにより、コンタクト抵抗を変化させることができる。
【００１７】
また、電極の一部を絶縁膜で覆ってアニールすることによっても、コンタクト抵抗を変化させることができる。
【００１８】
このように、シリーズ抵抗だけでなく、コンタクト抵抗を変化させることによっても、キャビティに対して電流を不均一に注入することが可能となる。
【００１９】
さらに、燐化合物半導体及び砒素化合物半導体は閃亜鉛鉱型の結晶構造を採るのに対し、窒化物半導体は六方晶系の結晶構造を採るため、基板面に平行な方向と垂直な方向とで、電気的特性が異なる特徴を有している。例えば、キャリアの移動度は、基板面に垂直な方向と比べて平行な方向の場合が遅くなる。その結果、窒化物半導体結晶においては、キャビティが延びる方向（以下、キャビティ方向と呼ぶ）のシリーズ抵抗又はコンタクト抵抗の差を保持し易い。
【００２０】
また、窒化ガリウムは、インジウム燐又はガリウム砒素化合物半導体に対して微分利得が極めて大きいという特徴を持つ。これも、窒化ガリウムの結晶構造が六方晶系であり、ホールが縮退していないことに起因する。このように、微分利得が大きいことから、わずかの電流の分布により結晶が利得を有するか損失を示すかが変化する。その結果、窒化ガリウム化合物半導体を用いた半導体レーザ素子においては、キャビティに対する電流注入の不均一さがわずかではあっても、キャビィティ内における光密度分布の変化を効果的に誘発することができる。
【００２１】
さらに、窒化物半導体レーザ素子は、結晶構造が六方晶系であるため、キャビテイに一軸性歪が導入される場合に、利得が増大して発振特性が向上する。このため、キャビティの側方に電極を設けることにより、一軸性歪を効果的に導入することができるので、レーザ特性の向上を図ることができる。
【００２２】
また、一般に、雑音を低減する目的で、駆動電流に高周波電流を重畳するが、このとき、キャリアの拡散長程度の間隔でシリーズ抵抗値又はコンタクト抵抗値に変化を生じさせると、レーザ光の出力が高い周波数で脈動する自励発振現象が生ずる。
【００２３】
また、窒化物半導体レーザ素子は、微分利得が大きいため、わずかの電流値で大きな光出力を得られる。赤色半導体レーザ素子を用いたＤＶＤ装置の場合には、読み出し時に５ｍＷの光出力を与えてもデータが破壊されることはないが、窒化物半導体レーザ素子を光ディスク用光源として使用する場合には、波長が短く光のエネルギーが大きいために、また、絞り込む光のスポット径が小さいために、読み出し動作時の光出力は１ｍＷ以下に設定しなければならず、読み出し動作時には極めて小さい駆動電流しか注入できない。その結果、注入電流密度が小さ過ぎて雑音レベルが上昇してしまうという問題があったが、本発明においては、キャビティに電流を不均一に注入して、駆動電流を注入する領域を限定し、その結果、注入電流密度を増大させることにより、低雑音化を可能とする。
【００２４】
また、窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の発光光は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる赤色半導体レーザ素子と異なり、基板が透明であるため、基板からの散乱光が出射光に混ざってしまい、雑音が増大するという問題がある。従って、キャビティの出射端面側に対する注入電流を減少することにより、キャビティに対して不均一な電流注入を行なうと、基板からの散乱光を低下させることができる。
【００２５】
以下、具体的に、本発明に係る半導体発光素子、その製造方法及びその駆動方法の構成を示す。
【００２６】
本発明に係る第１の半導体発光素子は、基板上に形成され、発光層及び電極コンタクト層を含む半導体積層体と、電極コンタクト層の上に形成された電極とを備え、電極コンタクト層は、電極の下側の厚さが部分的に異なる。
【００２７】
第１の半導体発光素子によると、電極コンタクト層は電極の下側の厚さが部分的に異なるため、シリーズ抵抗値が変化するので、低出力動作時にはキャビティに電流を不均一に注入することができる。これにより、発振閾電流値が大きくなるため、レーザ発振の微分利得が増大して、低出力時の相対雑音強度を小さくすることができる。
【００２８】
第１の半導体発光素子において、電極コンタクト層がｐ導電型であることが好ましい。
【００２９】
第１の半導体発光素子において、半導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、電極コンタクト層におけるキャビティの出射端面側の厚さが反射端面側の厚さよりも小さいことが好ましい。
【００３０】
また、第１の半導体発光素子において、半導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、電極コンタクト層におけるキャビティの出射端面側の厚さが反射端面側の厚さよりも大きいことが好ましい。
【００３１】
第１の半導体発光素子において、電極コンタクト層には、厚さが異なる領域が２箇所以上形成されていることが好ましい。
【００３２】
第１の半導体発光素子において、電極コンタクト層における厚さの増分が約１０％以上且つ約５０％以下であることが好ましい。
【００３３】
本発明に係る第２の半導体発光素子は、基板上に形成され、発光層及び電極コンタクト層を含む半導体積層体と、電極コンタクト層の上に形成された電極とを備え、電極コンタクト層は電極の下側に厚さが部分的に異なる高ドーピング領域を有している。
【００３４】
第２の半導体発光素子によると、電極コンタクト層は電極の下側に厚さが部分的に異なる高ドーピング領域を有しているため、コンタクト抵抗値が変化するので、低出力動作時にはキャビティに電流を不均一に注入することができる。これにより、発振閾電流値が大きくなるため、レーザ発振の微分利得が増大して、低出力時の相対雑音強度を小さくすることができる。
【００３５】
第２の半導体発光素子において、高ドーピング領域がｐ導電型であることが好ましい。
【００３６】
第２の半導体発光素子において、半導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、高ドーピング領域がキャビティの出射端面側に設けられていることが好ましい。
【００３７】
また、第２の半導体発光素子において、半導体積層体が発光光を生成するキャビティを有し、高ドーピング領域がキャビティの反射端面側に設けられていることが好ましい。
【００３８】
第２の半導体発光素子において、高ドーピング領域が、電極の下側に２箇所以上形成されていることが好ましい。
【００３９】
第２の半導体発光素子において、高ドーピング領域の表面不純物濃度が、電極コンタクト層の不純物濃度と比べて、約１．５倍以上且つ約３倍以下であることが好ましい。
【００４０】
本発明に係る第３の半導体発光素子は、基板上に形成され、発光層、該発光層を上下に挟む第１の電極コンタクト層及び第２の電極コンタクト層を含む半導体積層体と、第１の電極コンタクト層の上に形成された第１の電極と、第２の電極コンタクト層の上に形成された第２の電極とを備え、半導体積層体は、発光光を生成するキャビティを有し、第１の電極と第２の電極との間隔は、キャビティが延びる方向に沿って異なる。
【００４１】
第３の半導体発光素子によると、第１の電極と第２の電極との間隔は、キャビティが延びる方向に沿って異なるため、シリーズ抵抗値が変化するので、低出力動作時にはキャビティに電流を不均一に注入することができる。これにより、発振閾電流値が大きくなるため、レーザ発振の微分利得が増大して、低出力時の相対雑音強度を小さくすることができる。
【００４２】
第３の半導体発光素子において、第１の電極がｎ電極であって、該ｎ電極とキャビティとの間隔は部分的に異なることが好ましい。
【００４３】
第３の半導体発光素子において、第１の電極と第２の電極とにおけるキャビティの出射端面側の間隔が、反射端面側の間隔よりも大きいことが好ましい。
【００４４】
また、第３の半導体発光素子において、第１の電極と第２の電極とにおけるキャビティにの出射端面側の間隔が、反射端面側の間隔よりも小さいことが好ましい。
【００４５】
第３の半導体発光素子において、第１の電極と第２の電極との間隔は、相対的に広い領域が相対的に狭い領域の約２倍以上且つ約５倍以下であることが好ましい。
【００４６】
第１〜第３の半導体発光素子において、半導体積層体が窒化物半導体からなることが好ましい。
【００４７】
本発明に係る第１の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程と、電極コンタクト層の上面に対して部分的にエッチングを行なうことにより、電極コンタクト層の厚さを変える第２の工程と、上面がエッチングされたコンタクト層の上面に電極を形成する第３の工程とを備えている。
【００４８】
第１の半導体発光素子の製造方法において、第１の工程が、電極コンタクト層の成長時にドーパントの供給量を増大して高ドーピング領域を形成する工程を含み、第２の工程が、高ドーピング領域に対してエッチングを行なうことが好ましい。
【００４９】
第１の半導体発光素子の製造方法において、第２の工程がピロリン酸を用いることが好ましい。
【００５０】
本発明に係る第２の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程と、電極コンタクト層の上に電極形成層を形成する第２の工程と、電極形成層におけるキャビティ形成領域上の一部に、絶縁膜からなるマスクパターンを形成する第３の工程と、マスクパターンを用いて熱処理を行なうことにより、電極コンタクト層におけるマスクパターンの下側部分と他の部分とのコンタクト抵抗値を変える第３の工程とを備えている。
【００５１】
本発明に係る第３の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも活性層及び電極コンタクト層を順次成長して半導体積層体を形成する第１の工程と、電極コンタクト層におけるキャビティ形成領域上の一部に部分電極を形成する第２の工程と、電極コンタクト層におけるキャビティ形成領域上の部分電極を含む全面に電極を形成する第３の工程とを備えている。
【００５２】
第１〜第３の半導体発光素子の製造方法において、半導体積層体が窒化物半導体からなることが好ましい。
【００５３】
本発明に係る第１の半導体発光素子の駆動方法は、電極コンタクト層の厚さを部分的に変えることにより、発光光を生成するキャビティに対して不均一に電流を注入する。
【００５４】
本発明に係る第２の半導体発光素子の駆動方法は、ｐ電極とｎ電極との間に、キャリアの拡散長以上の間隔を持たせて、発光光を生成するキャビティに対して不均一に電流を注入することにより自励発振を生じさせる。
【００５５】
本発明に係る第３の半導体発光素子の駆動方法は、相対的に低い出力動作時に、発光光を生成するキャビティに非発光領域が形成されるように駆動電流を注入する。
【００５６】
第３の半導体発光素子の駆動方法において、駆動電流は周波数が約１００ＭＨｚ以上の高周波電流であることが好ましい。
【００５７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５８】
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子であって、ｐコンタクト層４の厚さが部分的に厚い領域４ａを有する構造を示している。
【００５９】
以下、この素子構造と動作方法とについて説明する。
【００６０】
ｎ型ＧａＮ基板１Ａの上には、例えば、ｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）及びｎ型ＧａＮガイド層（不図示）を含むｎ型半導体層と、ＩｎＧａＮからなる発光層３と、ｐ型ＧａＮガイド層（不図示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）及び厚さが１μｍ程度のｐコンタクト層４を含むｐ型半導体層とから構成される半導体積層体が形成されている。
【００６１】
半導体積層体の上部のｐコンタクト層４には、膜厚が他の部分よりも厚い領域４ａが形成されている。
【００６２】
ｐコンタクト層４におけるｐ電極５の側方領域には、幅が１．８μｍ〜２．５μｍ程度のストライプ状にエッチングされてなる導波路構造（キャビティ）が形成されている。
【００６３】
ここで、発光層３の厚さは、キャビティの全領域にわたってほぼ均一である。前述したように、窒化物半導体は結晶の利得が大きいため、微分抵抗が大きい低出力動作時には、シリーズ抵抗の違いの影響を大きく受ける。このため、キャビティに光吸収領域（非発光領域）が形成される。これに対し、高出力動作時には、光吸収領域は形成されず且つ微分抵抗が小さいため、不均一発光の影響は小さくなる。
【００６４】
従って、低出力動作時には、キャビティは部分的に発光し、高出力動作時には、キャビティの全域で発光する。キャビティはレーザ光の共振方向で一定の寸法とする必要があるため、ｐコンタクト層４の厚さは変化させているものの、発光層３の厚さはほぼ一定とする必要がある。また、ｐコンタクト層４を除く半導体積層体においても、その厚さはキャビティ方向において一様且つ均一としている。
【００６５】
ところで、ｐコンタクト層４の厚さの変化量は１０％程度としている。これは、低出力動作時には微分抵抗が１００Ω程度であり、シリーズ抵抗値の１０Ωと比べて１０倍程度大きい。従って、シリーズ抵抗値を１０％程度変化させて、電流注入密度を変えると、ｐコンタクト層４により生じる電圧は２倍程度変化する。このため、十分に不均一な電流注入を実現することができる。
【００６６】
なお、ｐコンタクト層４の膜厚の変化量を５０％以上に大きくした場合には、高出力動作時においても、キャビティに駆動電流が注入されない領域が形成されてしまい、レーザ特性が劣化する。
【００６７】
従って、このｐコンタクト層４の膜厚の変化量は電圧差が十分に取れる範囲であれば小さいほうが好ましい。
【００６８】
また、第１の実施形態においては、導電性を有するｎ型ＧａＮ基板１Ａを用いているため、ｎ電極７は、基板１Ａの半導体積層体が形成されている面の反対側の面（裏面）に形成されている。しかしながら、基板１Ａに絶縁性を有するサファイアを用いた場合には、ｎ電極７は、半導体積層体中のｎコンタクト層２を露出させた露出面上で且つｐ電極５の側方の領域に形成する。
【００６９】
低出力動作時には、発光層３におけるキャビティの出射端面８側のみが発光し、発光層３におけるｐコンタクト層４の厚い領域４ａの下側部分は光吸収領域として機能する。この光吸収領域により、スーパールミネッセンスダイオードのように、多モードのスペクトル線幅が広くなって、干渉性が低減し、低雑音化が可能となる。
【００７０】
ここで、レーザ光の閾値電流が高出力時の２〜３倍（１００ｍＡ）程度となるように厚い領域４ａのキャビティ方向における長さを調整する必要がある。キャビティの長さが０．５ｍｍ程度の場合には、厚い領域４ａの長さは０．１ｍｍ程度である。
【００７１】
ところで、ｐコンタクト４の厚い領域４ａを出射端面８側に形成した場合は、出射端面８側の光強度が減少するため、半導体積層体における出射端面８の近傍部分の劣化を抑制することができるため好ましい。
【００７２】
さらに、ｐコンタクト４の厚い領域４ａを出射端面８側に形成した場合は、半導体積層体における出射端面８と対向する面である反射端面における光強度が大きくなることから、レーザの発振モードが安定する等の効果を得られる。その結果、光出力が１ｍＷ時における相対雑音強度は−１３５ｄＢ／Ｈｚ〜−１１０ｄＢ／Ｈｚ、又は−１３５ｄＢ／Ｈｚ以下にまで低減することを確認している。
【００７３】
なお、ｐコンタクト層４の厚い領域４ａをキャビティのいずれの端面側に設けるかは、設計時に決定すれば良く、以下の実施形態においても、低出力動作時の光吸収領域は、出射端面側又は反射端面側のいずれに設けても良い。
【００７４】
ところで、ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ素子等の集積レーザ素子の場合には、電極が分離されており、電極間のコンタクト層はエッチング除去されている。この集積レーザ素子は、それぞれの電極に対応した素子が互いに異なる機能を有しており、レーザ素子の結晶構造等がそれぞれの領域で異なっている。
【００７５】
また、電極が分離された従来のレーザ素子に対して変調電流を印加する場合には、強度、周波数又は位相が異なる電流を印加している。
【００７６】
以下、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の詳細を図１を用いて説明する。
【００７７】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等により、ｎ型ＧａＮ基板１Ａの上に、ｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、及び厚さが１μｍ程度のｐコンタクト層４を順次成長して半導体積層体を形成する。
【００７８】
次に、塩素ガスを用いたドライエッチングにより、ｐコンタクト層４の出射端面８側を含む領域を選択的に２００ｎｍの深さでエッチングする。このとき、ｐコンタクト層４においてエッチングされずに残った領域が厚い領域４ａとなる。なお、このときのドライエッチングに代えて、工程上簡便なピロリン酸を用いたウエットエッチングとしてもよい。
【００７９】
次に、蒸着法により、エッチングされたｐコンタクト層４の全面に、例えばニッケルと金との積層膜からなるｐ電極形成層を堆積する。
【００８０】
次に、ｐ電極形成層におけるキャビティ形成領域をレジスト膜によりマスクして、塩素系ガスを用いたドライエッチングを行なって、ｐ電極形成層からキャビティ形成領域を覆うストライプ状のｐ電極５を形成する。その後、該ドライエッチングを続けて、ｐ型ＧａＮガイド層までエッチングを行なって、ストライプ状のキャビティを形成する。
【００８１】
次に、蒸着法により、ＧａＮ基板１Ａの裏面の全面に、例えばチタンとアルミニウムとの積層膜からなるｎ電極７を堆積して形成する。
【００８２】
さらに、このようにして得られた半導体発光素子をマウントする場合に、ｐ電極５及びｎ電極７におけるはんだ材による電極の劣化を抑えるために、両電極５、７の上面に、厚さが１０μｍ程度の金めっきをそれぞれ施して、ｐ電極５及びｎ電極７とはんだ材とが接触しないようにしている。
【００８３】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図２は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示している。
【００８５】
半導体積層体の上部に位置するｐコンタクト層４の結晶成長時に、ｐ型ドーパントの供給量を増大して、ｐコンタクト層４の上部に高ドーピング領域９を形成する。その結果、ｐコンタクト層４の結晶表面に大量の欠陥が発生し、表面の状態密度が増大してコンタクト抵抗値が減少する。
【００８６】
図２に示すように、ｐコンタクト層４に、低いコンタクト抵抗を持つ高ドーピング領域９を部分的に残すことにより、駆動電流がキャビティに注入され易い領域を部分的に形成している。
【００８７】
従って、第１の実施形態においてはシリーズ抵抗値をキャビティ方向に変化させたが、第２の実施形態においてはコンタクト抵抗値をキャビティ方向に変化させる構成である。これにより、第１の実施形態と同様の効果によって、低出力動作時の相対雑音強度が低下することを確認している。
【００８８】
コンタクト抵抗は、非線型であり、低電流の印加時には高い抵抗値を示し、高電流の印加時には低い抵抗値を示すため、低出力動作時には電流の不均一を大きく生じさせることができる。一方、高出力動作時には、コンタクト抵抗値は非常に小さくなるため、キャビティの全領域で極めて均一に発光させることが可能となる。
【００８９】
ここで、高ドーピング領域９は、上面からの深さが１０ｎｍ程度と極めて小さいため、ドライエッチングでもウエットエッチングでも容易に除去することができる。なお、ウエットエッチングのエッチャントには、工程上簡便なピロリン酸を用いるのが好ましい。また、高ドーピング領域９に対するエッチングは実質的にはドーパントであるマグネシウムイオンを除去するだけで良いため、硫酸中で１時間程度のエッチングを行なっても良い。
【００９０】
（第２の実施形態の一変形例）
図３は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子を示している。
【００９１】
図３に示すように、ｐコンタクト層４の上部には、互いに間隔をおいた複数の高ドーピング領域９が形成されている。各高ドーピング領域９の幅は約３μｍとし、高ドーピング領域９同士の間隔は約２μｍとしている。キャリアの拡散長は、1ｎｍ程度であるため、１ＴＨｚ×１ｎｍ÷２μｍの計算結果から５００ＭＨｚ程度の自励発振動作を実現できる。
【００９２】
また、自励発振動作をさせる場合には、高周波を重畳しなくても相対雑音強度が低下するため、半導体レーザ素子の駆動回路を簡略化できる。
【００９３】
なお、従来の自励発振を生じさせる半導体レーザ素子は、光の分布領域に光を吸収する結晶層を有しており、駆動電流の注入は不均一とはなっていない。
【００９４】
ところで、第１の実施形態においても、ｐコンタクト層４の厚さを細かく変化させることにより同様に自励発振動作を行なわせることができる。すなわち、第１の実施形態に係る厚い領域４ａを、ｐコンタクト層４の複数箇所に設けることになる。
【００９５】
なお、以下の実施形態においても、不均一な電流注入領域を複数箇所に設ける構成は有効である。
【００９６】
但し、本変形例においては、高ドーピング領域９をエッチングによって１μｍ程度の細かいパターンに容易に分割でき、不均一な電流注入を確実に行なえるようになるため、自励発振現象を再現性良く実現することができる。
【００９７】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９８】
図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子を示している。
【００９９】
図４に示すように、基板１Ｂとして、現時点では窒化ガリウムよりも安価なサファイアを用いている。
【０１００】
第３の実施形態は、キャビティ、すなわちｐ電極５とｎ電極７との間隔を、均一とせずに、キャビティ方向に沿って変化させている。
【０１０１】
第３の実施形態においても、ＭＯＶＰＥ法等を用いて、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、ＩｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体積層体を形成している。
【０１０２】
ｐ電極５はｐコンタクト層４の上に蒸着により形成され、ｎ電極７はｎコンタクト層２におけるｐ電極５の側方の露出領域上に形成されている。
【０１０３】
ｐコンタクト層４におけるｐ電極５の下側部分は、ストライプ状にエッチングして導波路構造（キャビティ）としている。
【０１０４】
第３の実施形態は、ｐ電極５とｎ電極７との間隔を、キャビティの反射端面側で大きくしている。その間隔が大きい間隔拡大領域を符号１０で示している。
【０１０５】
このように、ｎコンタクト層２の露出領域上に、ｐ電極５とｎ電極７との間隔が大きい間隔拡大領域１０を設けているため、ｎクラッド層を流れる電流のシリーズ抵抗値が間隔拡大領域１０の下方領域において増大する。その結果、第１の実施形態と同様に、キャビティに注入される電流がキャビティの反射端面側で少なくなって、不均一となる。このとき、ｎコンタクト層２の抵抗はｐコンタクト層４の抵抗よりも小さいため、ｐ電極５とｎ電極７との間隔を部分的に２倍以上に広げることにより、キャビティに対して駆動電流を不均一に注入することができる。さらに、このように、ｎコンタクト層２に高抵抗領域を形成した場合には、放熱特性に優れるという効果をも得られるようになる。
【０１０６】
ところで、ｎコンタクト層２の抵抗率を０．０１５Ω・ｃｍとし、ｐ電極５とｎ電極７との間隔をｄ（μｍ）とし、ｐ電極５への注入電流をＩ（Ａ）とすると、両電極間の電圧降下Ｖは以下の式（１）で表わされる。
【０１０７】
Ｖ＝０．６Ｉ・ｄ … （１）
これは、ｎ型半導体層の厚さを２μｍ程度と比較的に小さく形成しているため、両電極間で適当な電圧降下を示すことによる。
【０１０８】
従って、間隔拡大領域１０の間隔寸法を１５μｍ程度余計に設定すると、電圧降下は式（１）から約１Ｖとなって、両電極５、７間の間隔拡大領域１０における電流を制限できるため、キャビティに対する注入電流が不均一となる。
【０１０９】
なお、間隔拡大領域１０の間隔寸法を、間隔寸法の３倍の３０μｍ以上とすると電圧降下Ｖが２Ｖ以上となって好ましくない。
【０１１０】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１１１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の工程順の構成を示している。
【０１１２】
まず、図５（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法等により、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、ＩｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体積層体を形成する。続いて、ｐコンタクト層４の上面に、例えばニッケルと金との積層膜からなるｐ電極形成層５Ａを堆積する。
【０１１３】
次に、図５（ｂ）に示すように、ｐ電極形成層５Ａ上におけるキャビティ形成領域の高コンタクト抵抗化を図る領域に窒化物からなる絶縁膜１１を選択的に形成して、窒素雰囲気中でアニールを行なう。その後、ｐ電極形成層５Ａ上のキャビティ形成領域をマスクして、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりｐ型ＧａＮガイド層までエッチングを行なって、ストライプ状のキャビティを形成する。なお、高コンタクト抵抗化を図る方法として、窒素雰囲気でアニールを行なう方法以外にも、例えば、酸素プラズマにさらす方法、又はプロトンを注入する方法を用いてもよい。
【０１１４】
次に、図５（ｃ）に示すように、半導体積層体におけるキャビティの一側方領域に対して、塩素系ガスによるドライエッチングを行なって、ｎコンタクト層２を露出する。続いて、露出したｎコンタクト層２の上面にｎ電極形成パターンを開口部に持つレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンの上に、蒸着法により、チタンとアルミニウムとの積層膜を堆積する。続いて、堆積した積層膜から、リフトオフ法によってｎ電極７を形成する。
【０１１５】
このように、第４の実施形態によると、ｐコンタクト層４における窒化物からなる絶縁膜１１の下側の領域が、絶縁膜１１を設けない領域と比べてコンタクト抵抗値が大きくなる。その結果、図１に示す第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、ｐコンタクト４層におけるキャビティの反射端面側が低出力動作時に光吸収領域となり、キャビティに対する不均一な電流注入が実現される。
【０１１６】
これに対し、絶縁膜１１を窒化物に代えて酸化物とすると、ｐコンタクト層４における酸化物からなる絶縁膜１１の下側の領域が、絶縁膜１１を設けない領域と比べてコンタクト抵抗値が小さくなる。このため、図２に示す第２の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、ｐコンタクト４層におけるキャビティの出射端面側が低出力動作時に光吸収領域となり、キャビティに対する不均一な電流注入が実現される。
【０１１７】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１１８】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の工程順の構成を示している。
【０１１９】
まず、図６（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法等により、サファイア基板１Ｂ上に、例えば、ｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、ｎ型ＧａＮガイド層（不図示）、ＩｎＧａＮからなる発光層３、ｐ型ＧａＮガイド層（不図示）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（不図示）、及びｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層４を順次成長して半導体積層体を形成する。続いて、ｐコンタクト層４の上面に、例えばニッケルからなるｐ電極形成層５Ｂを堆積する。
【０１２０】
次に、図６（ｂ）に示すように、ｐ電極形成層５Ｂに対して出射端面側を残すようにパターニングして第１の電極としての部分電極５ａを形成する。続いて、蒸着法により、ｐコンタクト層４の上に部分電極５ａを含む全面にわたって、白金と金との積層膜からなるｐ電極形成膜１２Ａを堆積する。
【０１２１】
次に、図６（ｃ）に示すように、ｐ電極形成膜１２Ａ上のキャビティ形成領域をマスクして、塩素系ガスを用いたドライエッチングによりｐ型ＧａＮガイド層までエッチングを行なって、ストライプ状のキャビティを形成する。これにより、キャビティの上に、部分電極５ａを出射端面側に含むｐ電極形成膜１２Ａからｐ電極１２が形成される。その後、半導体積層体におけるキャビティの一側方領域に対して、塩素系ガスによるドライエッチングを行なって、ｎコンタクト層２を露出する。続いて、露出したｎコンタクト層２の上面にｎ電極形成パターンを開口部に持つレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンの上に、蒸着法により、チタンとアルミニウムとの積層膜を堆積する。堆積した積層膜から、リフトオフ法によってｎ電極７を形成する。
【０１２２】
このように、第５の実施形態によると、部分電極５ａはニッケルからなるため、ｐコンタクト層４に対するコンタクト抵抗が低減する。このため、図１に示す第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、ｐコンタクト４層におけるキャビティの反射端面側が低出力動作時に光吸収領域となり、キャビティに対する不均一な電流注入が実現される。
【０１２３】
なお、第５の実施形態においては、ｐコンタクト層４に対するコンタクト抵抗を低減する部分電極５ａの材料にニッケルを用いたが、パラジウム（Ｐｄ）又はマグネシウム（Ｍｇ）等のように、ｐコンタクト層４に対するコンタクト抵抗を低減できる材料であればよい。
【０１２４】
すなわち、ｐ電極１２と部分電極５ａは、ｐコンタクト層４に対するコンタクト抵抗が、低出力動作時にキャビティへの不均一な電流注入が実現される程度に異なっていれば良い。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子及びその駆動方法によると、電極コンタクト層との間で、シリーズ抵抗値又はコンタクト抵抗値が変化するため、低出力動作時にキャビティに電流を不均一に注入することができるため、発振閾値が大きくなるので、低出力時の相対雑音強度を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の構成図である。
【図７】従来の半導体発光素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１基板
２ｎコンタクト層
３発光層
４ｐコンタクト層
４ａ厚い領域
５ｐ電極
５Ａｐ電極形成層
５Ｂｐ電極形成層
５ａ部分電極
７ｎ電極
８出射側
９高ドーピング領域
１０間隔拡大領域
１１絶縁膜
１２Ａｐ電極形成膜
１２ｐ電極

Claims

基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置され、キャビティを有する窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記キャビティ上方の部分において上下方向の厚さが前記キャビティの延びる方向に部分的に異なり、前記キャビティ上方以外の部分において上下方向の厚さが前記キャビティの延びる方向にほぼ一定である半導体レーザ素子。
基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置され、キャビティを有する窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記キャビティ上方の部分において上下方向の厚さが前記キャビティの延びる方向に部分的に異なり、前記キャビティ上方以外の部分において前記キャビティの延びる方向にほぼ平坦である半導体レーザ素子。
基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置された窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
を備え、
前記ｐ型窒化物半導体層は、出射端面と反射端面との間において上下方向の厚さが前記出射端面から前記反射端面に向かう方向に部分的に異なり、前記出射端面と前記反射端面との間以外において上下方向の厚さが前記出射端面から前記反射端面に向かう方向にほぼ一定である半導体レーザ素子。
基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置された窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置され、ストライプ形状を有するｐ型窒化物半導体層とを備え、
前記ストライプ形状の上下方向の厚さは前記ストライプが延びる方向に部分的に異なり、
前記ｐ型窒化物半導体層における前記ストライプ形状以外の部分の上下方向の厚さは前記ストライプの方向にほぼ一定である半導体レーザ素子。
前記ｐ型窒化物半導体層において、一方の端面の上下方向の厚さは他方の端面の上下方向の厚さよりも小さい請求項１から請求項４のいずれか 1 項に記載の半導体レーザ素子。
窒化物半導体からなる基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置され、キャビティを有する窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
を備え、
出射端面における前記キャビティ上方の前記ｐ型窒化物半導体層の抵抗値は、反射端面における前記キャビティ上方の前記ｐ型窒化物半導体層の抵抗値よりも大きい半導体レーザ素子。
前記ｐ型窒化物半導体層は、上方に凸のストライプ形状を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
基板と、
前記基板の上方に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上方に配置され、キャビティを有する窒化物半導体発光層と、
前記窒化物半導体発光層の上方に配置されたｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型窒化物半導体層の上方に配置されたｐコンタクト層と、
前記ｐコンタクト層の上面の少なくとも一部に配置されたｐ電極と、
を備え、
前記キャビティの上方における前記ｐ型窒化物半導体層の不純物濃度は前記キャビティの延びる方向にほぼ一定であり、
前記キャビティの上方における前記ｐコンタクト層の不純物濃度は前記キャビティの延びる方向に部分的に異なる半導体レーザ素子。
前記キャビティ上方の前記 p コンタクト層において、一方の端面の不純物濃度は他方の端面の不純物濃度よりも高い請求項８に記載の半導体レーザ素子。
前記一方の端面は出射端面である請求項５又は請求項９に記載の半導体レーザ素子。
前記一方の端面の不純物濃度は、前記他方の端面の不純物濃度の１．５倍以上であって且つ３倍以下である請求項９に記載の半導体レーザ素子。
前記ｎ型窒化物半導体層及び前記窒化物半導体発光層及び前記ｐ型窒化物半導体層はＧａＮ系化合物半導体からなる請求項１から請求項１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。