JP4079393B2 - 窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外領域から青色領域にわたるレーザ光を発振する窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、紫外領域から青色領域にわたるレーザ光を発振する半導体レーザ素子の材料としては、窒化物系化合物半導体ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が用いられている。
【０００３】
この窒化物系化合物半導体レーザ素子については、従来、いくつかの構造と製造方法が提案されている。その中でも、電流狭窄と光閉じ込めとを同時に行うことが可能な電流狭窄層を有する構造は、駆動電流を小さくでき、信頼性が高く、しかも発振横モードを安定化することができる構造として期待されている。
【０００４】
その一例として、図３に特開平８−９７５０２号公報に開示されている半導体レーザ素子３００の構造を示す。
【０００５】
この半導体レーザ素子３００は、サファイア基板３０１、ｎ型ＧａＮバッファ層３０２、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第１クラッド層３０３、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第２クラッド層３０５、ストライプ状開口部３２０を有するｎ型Ｓｉ電流狭窄層３０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第３クラッド層３０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８から構成され、第１クラッド層３０３、活性層３０４、第２クラッド層３０５、電流狭窄層３０６、第３クラッド層３０７及びコンタクト層３０８はバッファ層３０２を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層３０８の上にはｐ型電極３０９が形成され、バッファ層３０２の露出部上にはｎ型電極３１０が形成されている。
【０００６】
この従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子３００においては、光吸収を有する材料からなる電流狭窄層３０６を活性層３０４近傍に形成することにより安定した光導波を実現することができる。しかし、電流狭窄層３０６がＳｉからなり、活性層３０４で発生する光に対応するエネルギーに比べて十分に小さい禁制帯幅を有しているので、電流狭窄層３０６での吸収係数が５×１０5ｃｍ-1と大きく、導波路の導波損失が大きくなる。その結果、信頼性確保のために必要な発振閾値電流１００ｍＡ以下で発振する半導体レーザ素子を得ることができなかった。
【０００７】
また、この従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子３００では、レーザ光を吸収して電流狭窄層３０６のストライプ状開口部３２０の近傍で局所的に熱が発生したときに、電流狭窄層３０６の材料であるＳｉとＧａＮ系材料との熱膨張係数差が２×１０-6と大きいために結晶歪みが発生し、動作中に半導体レーザ素子が破損してしまうという問題点もあった。
【０００８】
この問題を解決するため、電流狭窄層３０６にＩｎ組成の大きなＧａＩｎＮを用いることも検討されている。しかし、Ｉｎ組成の大きなＧａＩｎＮは通常の成長温度で制御性良く成長させることが困難である。また、レーザ光の波長に対する吸収係数が１×１０5ｃｍ-1と大きいため、Ｓｉを用いた場合と同様に、導波路の導波損失が大きくなって発振閾値電流１００ｍＡ以下を超えてしまい、信頼性が不良となっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来においては、発振閾値電流が１００ｍＡ以下で横モードが安定し、しかも信頼性が高い窒化物系化合物半導体レーザ素子は実現されていなかった。
【００１０】
この最大の原因は、光吸収による導波路形成の役割を併せ持つ電流狭窄層において、青色〜紫外光の波長領域における吸収係数が１×１０5ｃｍ-1と大きいために導波路の吸収損失が大きくなり過ぎて発振閾値電流が１００ｍＡを超え、半導体レーザ素子を発振させたときに素子が熱的に破損するためである。
【００１１】
また、熱膨張係数がＧａＮ系材料と大きく異なるＳｉ等の材料を電流狭窄層に用いた場合には、レーザ光の局所的吸収による素子の破損が起こるため、信頼性の高い窒化物系化合物半導体レーザ素子を得ることができなかった。
【００１２】
本発明はこのような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、低閾値電流で信頼性が高く、しかも横モードの安定な窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系化合物半導体レーザ素子は、基板上に、一対のクラッド層と、両クラッド層で挟まれた活性層と、該活性層の上方に電流通路となるストライプ状開口部を有して設けられた電流狭窄層とを有する窒化物系化合物半導体レーザ素子において、該電流狭窄層が、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させることによって、１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ − 1 よりも小さい光吸収係数を有することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１６】
前記活性層と前記電流狭窄層との間に再蒸発防止層又はエッチングストップ層が設けられていてもよい。
【００１７】
前記電流狭窄層の上方及び前記ストライプ状開口部の上方にわたってコンタクト層が設けられていてもよい。
【００１８】
本発明は、前記窒化物系化合物半導体レーザ素子を製造する方法であって、基板上に第１クラッド層を成長させて、該第１クラッド層上に活性層を成長させる工程と、該活性層上に、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を４００℃以上６００℃以下の温度で成長させる工程と、該窒化物系化合物半導体層に８０℃以下の温度でウェットエッチングを行ってストライプ状開口部を形成する工程と、所定温度に昇温した状態で、該ストライプ状開口部を埋め込むように第２クラッド層を成長させることによって、前記窒化物系化合物半導体層を結晶化して１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ −１ よりも小さい光吸収係数とする工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２２】
本発明にあっては、活性層の上方に設けられた電流狭窄層が非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させた高抵抗層からなる。
【００２３】
非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は７００℃未満の低温で制御性良く成長させることができ、膜中に炭素（Ｃ）又は珪素（Ｓｉ）を高濃度（例えば１×１０20ｃｍ-3以上）に含ませて極めて高抵抗にすることができるので、有効に電流を阻止することができる。
【００２４】
また、不純物による高抵抗化により電流狭窄層の厚みを数１０ｎｍ程度にすることができるので、その上に成長されるコンタクト層の最表面を容易に平滑化できる。なお、本明細書において、高抵抗とは１×１０3Ω・ｃｍ以上の抵抗率を意味するものとする。
【００２５】
また、後述する実施形態１に示すように、不純物準位に関与する吸収係数を利用することができるので、レーザ発振波長に対する吸収係数を通常の半導体のバンドギャップ間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数（例えば５×１０3ｃｍ-1）とすることができる。よって、不要な導波路光吸収を増加させることなく光吸収による横方向への光閉じ込めを実現し、発振閾値電流を低減すると共に安定な横モード特性を得ることができる。
【００２６】
また、７００℃未満の低温で成長させた非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、７００℃を超える高温で成長させた非常に強い結合を有する単結晶とは異なり、８０℃以下のアルカリ系水溶液によりフォトリソグラフィに適した温度で容易にウェットエッチングを行うことができる。このエッチングによりストライプ状開口部を形成し、そのストライプ状開口部を埋め込むように第２クラッド層を成長させて電流通路を形成することができる。
【００２７】
また、この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、エッチング後の再成長に至る昇温過程で構成原子が再配列され、不純物を高濃度に含んだ状態で単結晶化されるので、その上に成長される半導体層の結晶品質は劣化しない。
【００２８】
また、電流狭窄層として窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、電流狭窄層と電流通路部分との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、従来のＳｉを用いた半導体レーザ素子のように電流狭窄層がレーザ光を吸収しても結晶歪みが生じることはなく、半導体レーザ素子が動作中に破損するのを防ぐことができる。
【００２９】
なお、電流狭窄層にＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いる場合には、不純物を１×１０20ｃｍ-3以上添加するのが好ましい。
【００３０】
さらに、活性層と電流狭窄層との間に再蒸発防止層を設けることにより活性層の蒸発を防ぐことができ、活性層と電流狭窄層との間にエッチングストップ層を設けることによりエッチングの制御性を向上させることができる。このエッチングストップ層と再蒸発防止層は兼用することも可能である。
【００３１】
本発明の他の窒化物系化合物半導体レーザ素子にあっては、活性層の上方に設けられた電流狭窄層が窒化物系化合物半導体の結晶に荷電粒子を照射した高抵抗層からなる。
【００３２】
例えば、活性層の上方側のクラッド層の一部に荷電粒子を照射することにより、電流通路となるストライプ状部分（非照射部）と電流狭窄層（照射部）とを制御性良く形成することができる。荷電粒子が照射された部分はキャリアトラップが高密度に形成されて高抵抗化されるので、有効に電流を阻止することができる。
【００３３】
また、荷電粒子照射による高抵抗化により表面のダメージを極めて小さくすることができるので、その上に成長されるコンタクト層の最表面を容易に平滑化できる。
【００３４】
また、後述する実施形態２に示すように、欠陥準位により吸収係数が増大して光吸収を有する電流狭窄層が得られ、レーザ発振波長に対する吸収係数を通常の半導体のバンドギャップ間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数（例えば５×１０4ｃｍ-1）とすることができる。よって、不要な導波路光吸収を増加させることなく光吸収による横方向への光閉じ込めを実現し、発振閾値電流を低減すると共に安定な横モード特性を得ることができる。
【００３５】
また、電流狭窄層として窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、電流狭窄層と電流通路部分との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、従来のＳｉを用いた半導体レーザ素子のように電流狭窄層がレーザ光を吸収しても結晶歪みが生じることはなく、半導体レーザ素子が動作中に破損するのを防ぐことができる。
【００３６】
さらに、活性層と電流狭窄層との間に再蒸発防止層を設けることにより活性層の蒸発を防ぐことができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１は実施形態１の窒化物系化合物半導体レーザ素子１００の構成を示す断面図である。
【００３９】
この半導体レーザ素子１００は、サファイア基板１０１のＣ面に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層１０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層１０５及びｐ型ＧａＮエッチングストップ・再蒸発防止層１０６が積層形成されている。その上にはストライプ状開口部１２０を有するＧａＮ電流狭窄層１０８が形成され、そのストライプ状開口部１２０が電流通路となっている。その上にストライプ状開口部１２０を埋め込んでｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層１０７が形成され、第１クラッド層１０４、活性層１０５、エッチングストップ・再蒸発防止層１０６、電流狭窄層１０８及び第２クラッド層１０７はコンタクト層１０３を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層１０９の上にはｐ型電極１１１が形成され、コンタクト層１０３の露出部上にはｎ型電極１１０が形成されている。
【００４０】
この半導体レーザ素子１００は、以下のようにして作製した。
【００４１】
まず、サファイア基板（ウェハー）（Ｃ面）１０１をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置の反応炉にセットしてリアクタ内を水素で充分に置換した後、水素及びアンモニア（ＮＨ3）を流しながら温度を１５００℃まで上昇させ、１０分間保持してサファイア基板（Ｃ面）１０１の表面クリーニングを行った。
【００４２】
次に、基板温度を５００℃まで降下させ、温度を５００℃で安定させた後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、１分間成長を行うことにより約３０ｎｍのＧａＮバッファ層１０２を成長させた。
【００４３】
続いて、ＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル、シラン（ＳｉＨ4）を毎分０．３ｃｃ流し、６０分間成長を行うことにより約０．４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を成長させた後、ＴＭＧ、ＮＨ3に加えてトリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）を毎分６×１０-6モル、ＳｉＨ4を毎分０．３ｃｃ流し、２５分間成長を行うことにより約０．２μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層１０４を成長させた。このｎ型第１クラッド層１０４の電子濃度は２×１０18ｃｍ-3であった。
【００４４】
その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ4の供給を止めて温度を７００℃まで下降させ、温度を７００℃で安定させた後、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を各々毎分４×１０-4モル流し、１２秒間成長を行うことにより約１０ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層１０５を成長させた。この活性層１０５からの発光ピーク波長は室温で約４３２ｎｍであった。
【００４５】
次に、温度を７００℃に保ったままＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を毎分５×１０-6モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、１２秒間成長を行うことにより約６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０６を成長させた。このｐ型ＧａＮ層１０６は活性層１０５の再蒸発防止層として機能すると共に電流狭窄層１０８にストライプ状開口部１２０を形成する際のエッチングストップ層としても機能する。
【００４６】
続いて、温度を５００℃で安定させ、ＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、２分間成長を行うことにより約６０ｎｍのＧａＮ層１０８を成長させた。この低温成長ＧａＮ層１０８は、Ｘ線回析及びＲＨＥＥＤにより非晶質であることを確認した。また、ＳＩＭＳ測定によればＣ濃度は１×１０21ｃｍ-3であり、抵抗率は７×１０3Ω・ｃｍであった。このＧａＮ層１０８中に高濃度に含まれるＣの起源は原料ＴＭＧの未分解メチル基であると考えられる。このＧａＮ層１０８へのＣ、Ｓｉ及びその他の不純物の導入は、ＭＯＣＶＤ法におけるドーピングと同様に、不純物原子を含む有機化合物や水素化合物を通常用いられるIII族原料やV族原料と同時に供給することにより行うことができる。なお、６００℃で２μｍ成長させた同様の非晶質ＧａＮ膜を別途用意してレーザ発振波長における光吸収係数を測定したところ、５×１０3ｃｍ-1であった。この光吸収係数値は活性層１０５で発生するレーザ光を閉じ込めるのに必要充分な値であり、薄膜でも有効に光を吸収することができるので、このＧａＮ層１０８は活性層１０５における横方向への光閉じ込め効果を有する。
【００４７】
その後、通常の電子ビーム蒸着及びフォトリソグラフプロセスにより低温成長ＧａＮ層１０８上に幅約１μｍのストライプ状開口部を有するＳｉＯ2マスクパターンを形成し、３０℃に保った１０規定水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液で１０分間エッチングすることによりマスク開口部のＧａＮ層を除去してストライプ状開口部１２０を有する電流狭窄層１０８を形成した。このとき、高温で成長されたｐ型ＧａＮ層１０６は極めてエッチングされ難いため、エッチングストップ層として有効に機能する。
【００４８】
次に、ＳｉＯ2マスクを弗化水素酸（ＨＦ）により除去したウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉にセットして温度を１０５０℃まで上昇させた。温度を１０５０℃で安定させた後、ＴＭＧを毎分４×１０-4モル、ＴＭＡ及びＣＰ2Ｍｇを毎分５×１０-6モル流し、２５分間成長を行うことにより約０．２μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層１０７を形成した後、ＴＭＡの供給を止めて１０分間成長を行うことにより約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を成長させた。このとき、低温成長された電流狭窄層１０８と再成長層であるｐ型第２クラッド層１０７との界面近傍では転位密度が極めて高く、第２クラッド層１０７と下部の層との間の応力を緩和して歪みを小さくすることができる。
【００４９】
その後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出し、窒素雰囲気中、７００℃で２０分間の熱処理を行うことによりマグネシウムを添加した第２クラッド層１０７とコンタクト層１０９の低抵抗ｐ型化を行った。この処理後のｐ型第２クラッド層１０７の正孔濃度は約１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型コンタクト層１０９の正孔濃度は約５×１０18ｃｍ-3であった。
【００５０】
次に、通常の方法によりエッチングを行ってｎ型コンタクト層１０３を露出させ、その上にＴｉ−Ａｌからなるｎ型電極１１０を形成し、ｐ型コンタクト層１０９上にはＮｉ−Ａｌからなるｐ型電極１１１を形成した。
【００５１】
その後、スクライビング又はダイシングによりウェハーをチップに分割し、図１に示した半導体レーザ素子１００を作製した。この半導体レーザ素子１００は、通常の方法によりパッケージに実装して半導体レーザが完成する。
【００５２】
このようにして得られた半導体レーザにおいて、端面反射鏡に反射率を制御するためのコーティングを施さずに電流を流したところ、典型的な特性として、４０ｍＡの閾値電流で４３２ｎｍの青色波長での半導体レーザ発振が観測され、このときの立ち上がり電流は３Ｖであった。また、５ｍＷ出力時の駆動電流は４７ｍＡ、そのときの効率は０．３Ｗ／Ａ、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、典型的な放射角特性として垂直方向の広がり角が１２゜で楕円率が２の安定したシングル横モードが得られ、１００時間以上の連続発振が確認できた。
【００５３】
このように本実施形態１によれば、４０ｍＡという低い発振閾値電流、１００時間以上の信頼性及び安定した横モード特性の全てを満足する窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能であった。この理由は、レーザ発振波長である青色領域において、通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも１桁以上小さい不純物準位に関与する吸収機構を電流狭窄層１０８に適用したことにより５×１０3ｃｍ-1という低い吸収係数を実現することができたからであり、その結果、レーザ横モードを安定化させるのに充分な光吸収を有する導波路を実現すると共に導波路の光吸収損失を低減して閾値電流の異常な上昇を抑えることができたからである。また、電流狭窄層１０８は高濃度に不純物を含んで高抵抗化されているので、有効に電流を阻止して電流狭窄を行うことができる。
【００５４】
次に、本実施形態１の半導体レーザ素子１００における電流狭窄層１０８の成長温度について説明する。
【００５５】
ここでは、電流狭窄層１０８の成長温度を上述の５００℃から３００℃、４００℃、６００℃及び７００℃に変化させ、それ以外は上述した製造工程と同様にして４つの半導体レーザ素子を作製した。
【００５６】
電流狭窄層１０８の成長温度を６００℃以下（３００℃、４００℃及び６００℃）とした半導体レーザ素子では横モードがいずれも単一横モードを示したが、電流狭窄層１０８の成長温度を７００℃とした半導体レーザ素子では電流値を変化させると発振モードの形が変化する不安定モードになった。
【００５７】
また、電流狭窄層１０８の成長温度を７００℃とした半導体レーザ素子では上述したようなウェットエッチングも不可能であった。
【００５８】
一方、発振閾値電流値は、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では１２０ｍＡ、成長温度４００℃では６０ｍＡ、成長温度６００℃では３５ｍＡ、成長温度７００℃では１７ｍＡであり、成長温度が高い程、発振閾値電流値が低くなる傾向を示した。このうち、電流狭窄層１０８の成長温度が３００℃の半導体レーザ素子では閾値電流が１００ｍＡを超え、素子寿命が１分しか保てないため、実用的でないことが分かった。
【００５９】
これらの半導体レーザ素子に対して電流狭窄層１０８に含まれる炭素密度を測定したところ、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では７×１０21ｃｍ-3、成長温度４００℃では３×１０21ｃｍ-3、成長温度６００℃では１×１０20ｃｍ-3、成長温度７００℃では６×１０18ｃｍ-3であった。また、電流狭窄層１０８でのレーザ波長に対する光吸収係数は、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では１×１０5ｃｍ-1、成長温度４００℃では３×１０4ｃｍ-1、成長温度６００℃では１×１０3ｃｍ-1、成長温度７００℃では１×１０2ｃｍ-1であった。
【００６０】
従って、本実施形態１において、電流狭窄層１０８に適度な光吸収を実現し、レーザ発振の横モードを安定させて閾値電流の不要な上昇を防ぐためには、電流狭窄層１０８の成長温度を４００℃〜６００℃とするのが好ましく、また、電流狭窄層１０８の炭素密度を３×１０21ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが好ましいことが分かった。
【００６１】
なお、本実施形態１において、電流狭窄層１０８はＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の全ての組成で形成可能であるが、Ａｌ組成が高い場合には高抵抗化、対エッチング性低下及び光吸収係数低下の傾向があり、Ｉｎ組成が高い場合には低抵抗化、対エッチング性低下及び光吸収係数増加の傾向がある。従って、本実施形態１では、これらの３要素を検討して最も良好な特性を示すＧａＮを用いて電流狭窄層１０８を形成した。
【００６２】
（実施形態２）
図２は実施形態２の窒化物系化合物半導体レーザ素子２００の構成を示す断面図である。
【００６３】
この半導体レーザ素子２００は、サファイア基板２０１のＣ面に、ＧａＮバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層２０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層２０５、ｐ型ＧａＮ再蒸発防止層２０６及びｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層２０７が積層形成されている。第２クラッド層２０７にはストライプ状部分２２０を除いて荷電粒子が照射され、照射部が電流狭窄層２０８となり、ストライプ状部分２２０が電流通路となっている。第１クラッド層２０４、活性層２０５、再蒸発防止層２０６、第２クラッド層２０７及び電流狭窄層２０８はコンタクト層２０３を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層２０９の上にはｐ型電極２１１が形成され、コンタクト層２０３の露出部上にはｎ型電極２１０が形成されている。
【００６４】
この半導体レーザ素子２００は、以下のようにして作製した。
【００６５】
まず、実施形態１と同様の製造工程によりサファイア基板（ウェハー）（Ｃ面）２０１上にＧａＮバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層２０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層２０５、ｐ型ＧａＮ再蒸発防止層２０６及びｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層２０７を成長させた後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出す。
【００６６】
次に、取り出したウェハーを収束イオンビーム装置にセットし、幅約１μｍのストライプ状部分２２０を除いた部分に１０×１５ｃｍ-2のドーズ量でＧａイオンの打ち込みを行った。ここでは、Ｇａイオン注入領域のパターンを電流狭窄層２０８のパターンとし、Ｇａイオンの注入深さが０．４μｍとなるようにＧａイオンの加速電圧を設定した。このとき、Ｇａイオンが照射された領域（電流狭窄層２０８）の抵抗率は６×１０3Ω・ｃｍであった。ここで、窒化物系化合物半導体は構成原子の結合が強いのでイオン照射によるエッチング量が極めて少なく、また、Ｃ軸方向に一様にエッチングされるので、イオン照射後の表面は平滑に保たれ、イオン照射部と非照射部との段差を表面段差計を用いて測定したところ、３ｎｍであった。また、熔融ＫＯＨによるエッチピットを観察したところ、密度は１×１０13ｃｍ-2であり、ａｓ ｇｒｏｗｎ ＧａＮ単結晶膜に対して２桁以上高い密度であった。さらに、Ｇａイオン照射領域（電流狭窄層２０８）の光吸収係数は５×１０4ｃｍ-1であり、Ｇａイオン非照射領域に比べて充分大きいことが確認された。
【００６７】
続いて、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉にセットして温度を１０５０℃まで上昇させ、温度を１０５０℃で安定させた後、ＴＭＧを毎分４×１０-4モル、ＣＰ2Ｍｇを毎分５×１０-6モル流し、１０分間成長を行うことによりｐ型クラッド層２０７及び電流狭窄層２０８の表面に約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を成長させた。
【００６８】
その後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出し、窒素雰囲気中、７００℃で２０分間の熱処理を行うことによりマグネシウムを添加した第２クラッド層２０７とコンタクト層２０９の低抵抗ｐ型化を行った。この処理後のｐ型第２クラッド層２０７の正孔濃度は約１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型コンタクト層２０９の正孔濃度は約５×１０18ｃｍ-3であった。一方、電流狭窄層２０８はＧａイオン照射によりキャリアトラップが高濃度に形成されているため、熱処理を行っても低抵抗化することはない。
【００６９】
次に、通常の方法によりエッチングを行ってｎ型コンタクト層２０３を露出させ、その上にＴｉ−Ａｌからなるｎ型電極２１０を形成し、ｐ型コンタクト層２０９上にはＮｉ−Ａｌからなるｐ型電極２１１を形成した。
【００７０】
その後、スクライビング又はダイシングによりウェハーをチップに分割し、図２に示した半導体レーザ素子２００を作製した。この半導体レーザ素子２００は、通常の方法によりパッケージに実装して半導体レーザが完成する。
【００７１】
このようにして得られた半導体レーザにおいて、端面反射鏡に反射率を制御するためのコーティングを施さずに電流を流したところ、典型的な特性として、５０ｍＡの閾値電流で４３２ｎｍの青色波長での半導体レーザ発振が観測され、このときの立ち上がり電流は３Ｖであった。また、５ｍＷ出力時の駆動電流は４７ｍＡ、そのときの効率は０．３Ｗ／Ａ、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、典型的な放射角特性として垂直方向の広がり角が１２゜で楕円率が２の安定したシングル横モードが得られ、１００時間以上の連続発振が確認できた。
【００７２】
このように本実施形態２においても、５０ｍＡという低い発振閾値電流、１００時間以上の信頼性及び安定した横モード特性の全てを満足する窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能であった。この理由は、レーザ発振波長である青色領域において、通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい５×１０4ｃｍ-1という低い吸収係数を実現することができたからであり、その結果、レーザ横モードを安定化させるのに充分な光吸収を有する導波路を実現すると共に導波路の光吸収損失を低減して閾値電流の異常な上昇を抑制することができたからである。また、電流狭窄層２０８は荷電粒子照射によりキャリアトラップが高密度に形成されて高抵抗化されているので、有効に電流を阻止して電流を狭窄することができる。
【００７３】
なお、本実施形態２においては、ビームを精密に制御でき、ＳｉＯ2等のマスクを用いることなくパターンの描画が可能である収束イオンビームを用いたが、マスクを用いたイオン打ち込みによっても同様に電流狭窄層２０８を形成可能である。
【００７４】
また、本実施形態２において、電流狭窄層２０８はｐ型第２クラッド層２０７の一部に荷電粒子を照射して形成したが、照射部はこれに限定されない。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態１及び実施形態２において示した材料や層構造の組み合わせに限らず、例えば、ＧａＮ活性層／ＡｌＧａＮクラッド層等の組み合わせで構成されるダブルヘテロ構造や窒化物系化合物半導体で構成される単一量子井戸（ＳＱＷ）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として有する窒化物系化合物半導体レーザ素子に対しても本発明を適用可能である。また、上記実施形態１及び２においては、サファイア基板のＣ面上に半導体層を成長させた例について説明したが、サファイア基板のＡ面、Ｍ面、Ｒ面やＳｉＣ、ＧａＡｓやＺｎＯ等公知の基板を使用することが可能である。また、ｎ型基板上に半導体層を成長させたレーザ構造及びｐ型基板上に半導体層を成長させたレーザ構造のいずれに対しても本発明は適用可能である。さらに、半導体レーザ素子の製造工程で使用される膜の成長方法としては、以上の説明で言及したＭＯＣＶＤ法以外に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＬＰＥ（液相成長）法、ＭＯ−ＭＢＥ法、或いはＡＬＥ（原子エピタキシー）法などの適用が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による場合には、窒化物系化合物半導体レーザ素子における電流狭窄層が非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させた高抵抗層からなり、或いは窒化物系化合物半導体の結晶に荷電粒子を照射した高抵抗層からなるので、電流を有効に狭窄すると共に光閉じ込めを行うことができる。この電流狭窄層によれば通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数を実現することができるので、レーザ発振の際の閾値電流を低減すると共に半導体レーザ素子各部での発熱量を少なくすることができる。よって、従来では実現できなかった低駆動電流で信頼性が高く発振の横モードが安定した窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７７】
また、本発明にあっては、非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体を７００℃未満の低温で制御性良く成長させることができ、膜中に炭素（Ｃ）又は珪素（Ｓｉ）を高濃度（例えば１×１０20ｃｍ-3以上）に含ませて極めて高抵抗にすることができる。よって、有効に電流を阻止すると共に必要充分な吸収係数を有する電流狭窄層を作製することができる。この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、フォトリソグラフィに適した８０℃以下の温度で容易にウェットエッチング可能であるので、半導体レーザ素子の歩留まりを大幅に向上させることができる。また、この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、エッチング後の再成長に至る昇温過程において不純物を高濃度に含んだ状態で単結晶化されるので、その上の半導体層の結晶品質を良好にして優れた素子特性を実現することができる。さらに、電流狭窄層として従来では使用困難であった窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、半導体レーザ素子の動作中の破損を防いで信頼性を大幅に向上させることができる。
【００７８】
また、本発明にあっては、活性層の上方側のクラッド層にストライプ状部分を除いて荷電粒子を照射することにより照射部を高抵抗化することができるので、電流通路となるストライプ状部分（非照射部）と電流狭窄層（照射部）とを制御性良く形成することができる。電流狭窄層は欠陥準位により吸収係数が増大するので、必要充分な光吸収を有する電流狭窄層が得られる。また、荷電粒子照射による高抵抗化により表面のダメージを極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子の歩留まりを大幅に向上させることができる。さらに、電流狭窄層として従来では使用困難であった窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、半導体レーザ素子の動作中の破損を防いで信頼性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】実施形態２の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図３】従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１００、２００ 半導体レーザ素子
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ バッファ層
１０３、２０３ ｎ型コンタクト層
１０４、２０４ ｎ型第１クラッド層
１０５、２０５ 活性層
１０６ ｐ型エッチングストップ・再蒸発防止層
１０７、２０７ ｐ型第２クラッド層
１０８、２０８ 電流狭窄層
１０９、２０９ ｐ型コンタクト層
１１０、２１０ ｎ型電極
１１１、２１１ ｐ型電極
１２０ ストライプ状開口部
２０６ ｐ型再蒸発防止層
２２０ ストライプ状部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外領域から青色領域にわたるレーザ光を発振する窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、紫外領域から青色領域にわたるレーザ光を発振する半導体レーザ素子の材料としては、窒化物系化合物半導体ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が用いられている。
【０００３】
この窒化物系化合物半導体レーザ素子については、従来、いくつかの構造と製造方法が提案されている。その中でも、電流狭窄と光閉じ込めとを同時に行うことが可能な電流狭窄層を有する構造は、駆動電流を小さくでき、信頼性が高く、しかも発振横モードを安定化することができる構造として期待されている。
【０００４】
その一例として、図３に特開平８−９７５０２号公報に開示されている半導体レーザ素子３００の構造を示す。
【０００５】
この半導体レーザ素子３００は、サファイア基板３０１、ｎ型ＧａＮバッファ層３０２、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第１クラッド層３０３、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第２クラッド層３０５、ストライプ状開口部３２０を有するｎ型Ｓｉ電流狭窄層３０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ第３クラッド層３０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８から構成され、第１クラッド層３０３、活性層３０４、第２クラッド層３０５、電流狭窄層３０６、第３クラッド層３０７及びコンタクト層３０８はバッファ層３０２を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層３０８の上にはｐ型電極３０９が形成され、バッファ層３０２の露出部上にはｎ型電極３１０が形成されている。
【０００６】
この従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子３００においては、光吸収を有する材料からなる電流狭窄層３０６を活性層３０４近傍に形成することにより安定した光導波を実現することができる。しかし、電流狭窄層３０６がＳｉからなり、活性層３０４で発生する光に対応するエネルギーに比べて十分に小さい禁制帯幅を有しているので、電流狭窄層３０６での吸収係数が５×１０5ｃｍ-1と大きく、導波路の導波損失が大きくなる。その結果、信頼性確保のために必要な発振閾値電流１００ｍＡ以下で発振する半導体レーザ素子を得ることができなかった。
【０００７】
また、この従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子３００では、レーザ光を吸収して電流狭窄層３０６のストライプ状開口部３２０の近傍で局所的に熱が発生したときに、電流狭窄層３０６の材料であるＳｉとＧａＮ系材料との熱膨張係数差が２×１０-6と大きいために結晶歪みが発生し、動作中に半導体レーザ素子が破損してしまうという問題点もあった。
【０００８】
この問題を解決するため、電流狭窄層３０６にＩｎ組成の大きなＧａＩｎＮを用いることも検討されている。しかし、Ｉｎ組成の大きなＧａＩｎＮは通常の成長温度で制御性良く成長させることが困難である。また、レーザ光の波長に対する吸収係数が１×１０5ｃｍ-1と大きいため、Ｓｉを用いた場合と同様に、導波路の導波損失が大きくなって発振閾値電流１００ｍＡ以下を超えてしまい、信頼性が不良となっていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来においては、発振閾値電流が１００ｍＡ以下で横モードが安定し、しかも信頼性が高い窒化物系化合物半導体レーザ素子は実現されていなかった。
【００１０】
この最大の原因は、光吸収による導波路形成の役割を併せ持つ電流狭窄層において、青色〜紫外光の波長領域における吸収係数が１×１０5ｃｍ-1と大きいために導波路の吸収損失が大きくなり過ぎて発振閾値電流が１００ｍＡを超え、半導体レーザ素子を発振させたときに素子が熱的に破損するためである。
【００１１】
また、熱膨張係数がＧａＮ系材料と大きく異なるＳｉ等の材料を電流狭窄層に用いた場合には、レーザ光の局所的吸収による素子の破損が起こるため、信頼性の高い窒化物系化合物半導体レーザ素子を得ることができなかった。
【００１２】
本発明はこのような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、低閾値電流で信頼性が高く、しかも横モードの安定な窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系化合物半導体レーザ素子は、基板上に、一対のクラッド層と、両クラッド層で挟まれた活性層と、該活性層の上方に電流通路となるストライプ状開口部を有して設けられた電流狭窄層とを有する窒化物系化合物半導体レーザ素子において、該電流狭窄層が、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させることによって、１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ − 1 よりも小さい光吸収係数を有することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１６】
前記活性層と前記電流狭窄層との間に再蒸発防止層又はエッチングストップ層が設けられていてもよい。
【００１７】
前記電流狭窄層の上方及び前記ストライプ状開口部の上方にわたってコンタクト層が設けられていてもよい。
【００１８】
本発明は、前記窒化物系化合物半導体レーザ素子を製造する方法であって、基板上に第１クラッド層を成長させて、該第１クラッド層上に活性層を成長させる工程と、該活性層上に、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を４００℃以上６００℃以下の温度で成長させる工程と、該窒化物系化合物半導体層に８０℃以下の温度でウェットエッチングを行ってストライプ状開口部を形成する工程と、所定温度に昇温した状態で、該ストライプ状開口部を埋め込むように第２クラッド層を成長させることによって、前記窒化物系化合物半導体層を結晶化して１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ −１ よりも小さい光吸収係数とする工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２２】
本発明にあっては、活性層の上方に設けられた電流狭窄層が非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させた高抵抗層からなる。
【００２３】
非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は７００℃未満の低温で制御性良く成長させることができ、膜中に炭素（Ｃ）又は珪素（Ｓｉ）を高濃度（例えば１×１０20ｃｍ-3以上）に含ませて極めて高抵抗にすることができるので、有効に電流を阻止することができる。
【００２４】
また、不純物による高抵抗化により電流狭窄層の厚みを数１０ｎｍ程度にすることができるので、その上に成長されるコンタクト層の最表面を容易に平滑化できる。なお、本明細書において、高抵抗とは１×１０3Ω・ｃｍ以上の抵抗率を意味するものとする。
【００２５】
また、後述する実施形態１に示すように、不純物準位に関与する吸収係数を利用することができるので、レーザ発振波長に対する吸収係数を通常の半導体のバンドギャップ間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数（例えば５×１０3ｃｍ-1）とすることができる。よって、不要な導波路光吸収を増加させることなく光吸収による横方向への光閉じ込めを実現し、発振閾値電流を低減すると共に安定な横モード特性を得ることができる。
【００２６】
また、７００℃未満の低温で成長させた非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、７００℃を超える高温で成長させた非常に強い結合を有する単結晶とは異なり、８０℃以下のアルカリ系水溶液によりフォトリソグラフィに適した温度で容易にウェットエッチングを行うことができる。このエッチングによりストライプ状開口部を形成し、そのストライプ状開口部を埋め込むように第２クラッド層を成長させて電流通路を形成することができる。
【００２７】
また、この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、エッチング後の再成長に至る昇温過程で構成原子が再配列され、不純物を高濃度に含んだ状態で単結晶化されるので、その上に成長される半導体層の結晶品質は劣化しない。
【００２８】
また、電流狭窄層として窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、電流狭窄層と電流通路部分との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、従来のＳｉを用いた半導体レーザ素子のように電流狭窄層がレーザ光を吸収しても結晶歪みが生じることはなく、半導体レーザ素子が動作中に破損するのを防ぐことができる。
【００２９】
なお、電流狭窄層にＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いる場合には、不純物を１×１０20ｃｍ-3以上添加するのが好ましい。
【００３０】
さらに、活性層と電流狭窄層との間に再蒸発防止層を設けることにより活性層の蒸発を防ぐことができ、活性層と電流狭窄層との間にエッチングストップ層を設けることによりエッチングの制御性を向上させることができる。このエッチングストップ層と再蒸発防止層は兼用することも可能である。
【００３１】
本発明の他の窒化物系化合物半導体レーザ素子にあっては、活性層の上方に設けられた電流狭窄層が窒化物系化合物半導体の結晶に荷電粒子を照射した高抵抗層からなる。
【００３２】
例えば、活性層の上方側のクラッド層の一部に荷電粒子を照射することにより、電流通路となるストライプ状部分（非照射部）と電流狭窄層（照射部）とを制御性良く形成することができる。荷電粒子が照射された部分はキャリアトラップが高密度に形成されて高抵抗化されるので、有効に電流を阻止することができる。
【００３３】
また、荷電粒子照射による高抵抗化により表面のダメージを極めて小さくすることができるので、その上に成長されるコンタクト層の最表面を容易に平滑化できる。
【００３４】
また、後述する実施形態２に示すように、欠陥準位により吸収係数が増大して光吸収を有する電流狭窄層が得られ、レーザ発振波長に対する吸収係数を通常の半導体のバンドギャップ間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数（例えば５×１０4ｃｍ-1）とすることができる。よって、不要な導波路光吸収を増加させることなく光吸収による横方向への光閉じ込めを実現し、発振閾値電流を低減すると共に安定な横モード特性を得ることができる。
【００３５】
また、電流狭窄層として窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、電流狭窄層と電流通路部分との熱膨張係数差を小さくすることができる。よって、従来のＳｉを用いた半導体レーザ素子のように電流狭窄層がレーザ光を吸収しても結晶歪みが生じることはなく、半導体レーザ素子が動作中に破損するのを防ぐことができる。
【００３６】
さらに、活性層と電流狭窄層との間に再蒸発防止層を設けることにより活性層の蒸発を防ぐことができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１は実施形態１の窒化物系化合物半導体レーザ素子１００の構成を示す断面図である。
【００３９】
この半導体レーザ素子１００は、サファイア基板１０１のＣ面に、ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層１０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層１０５及びｐ型ＧａＮエッチングストップ・再蒸発防止層１０６が積層形成されている。その上にはストライプ状開口部１２０を有するＧａＮ電流狭窄層１０８が形成され、そのストライプ状開口部１２０が電流通路となっている。その上にストライプ状開口部１２０を埋め込んでｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層１０７が形成され、第１クラッド層１０４、活性層１０５、エッチングストップ・再蒸発防止層１０６、電流狭窄層１０８及び第２クラッド層１０７はコンタクト層１０３を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層１０９の上にはｐ型電極１１１が形成され、コンタクト層１０３の露出部上にはｎ型電極１１０が形成されている。
【００４０】
この半導体レーザ素子１００は、以下のようにして作製した。
【００４１】
まず、サファイア基板（ウェハー）（Ｃ面）１０１をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置の反応炉にセットしてリアクタ内を水素で充分に置換した後、水素及びアンモニア（ＮＨ3）を流しながら温度を１５００℃まで上昇させ、１０分間保持してサファイア基板（Ｃ面）１０１の表面クリーニングを行った。
【００４２】
次に、基板温度を５００℃まで降下させ、温度を５００℃で安定させた後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、１分間成長を行うことにより約３０ｎｍのＧａＮバッファ層１０２を成長させた。
【００４３】
続いて、ＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル、シラン（ＳｉＨ4）を毎分０．３ｃｃ流し、６０分間成長を行うことにより約０．４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を成長させた後、ＴＭＧ、ＮＨ3に加えてトリメチルアンモニウム（ＴＭＡ）を毎分６×１０-6モル、ＳｉＨ4を毎分０．３ｃｃ流し、２５分間成長を行うことにより約０．２μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層１０４を成長させた。このｎ型第１クラッド層１０４の電子濃度は２×１０18ｃｍ-3であった。
【００４４】
その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ4の供給を止めて温度を７００℃まで下降させ、温度を７００℃で安定させた後、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を各々毎分４×１０-4モル流し、１２秒間成長を行うことにより約１０ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層１０５を成長させた。この活性層１０５からの発光ピーク波長は室温で約４３２ｎｍであった。
【００４５】
次に、温度を７００℃に保ったままＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を毎分５×１０-6モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、１２秒間成長を行うことにより約６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０６を成長させた。このｐ型ＧａＮ層１０６は活性層１０５の再蒸発防止層として機能すると共に電流狭窄層１０８にストライプ状開口部１２０を形成する際のエッチングストップ層としても機能する。
【００４６】
続いて、温度を５００℃で安定させ、ＴＭＧを毎分３×１０-5モル、ＮＨ3を毎分５リットル流し、２分間成長を行うことにより約６０ｎｍのＧａＮ層１０８を成長させた。この低温成長ＧａＮ層１０８は、Ｘ線回析及びＲＨＥＥＤにより非晶質であることを確認した。また、ＳＩＭＳ測定によればＣ濃度は１×１０21ｃｍ-3であり、抵抗率は７×１０3Ω・ｃｍであった。このＧａＮ層１０８中に高濃度に含まれるＣの起源は原料ＴＭＧの未分解メチル基であると考えられる。このＧａＮ層１０８へのＣ、Ｓｉ及びその他の不純物の導入は、ＭＯＣＶＤ法におけるドーピングと同様に、不純物原子を含む有機化合物や水素化合物を通常用いられるIII族原料やV族原料と同時に供給することにより行うことができる。なお、６００℃で２μｍ成長させた同様の非晶質ＧａＮ膜を別途用意してレーザ発振波長における光吸収係数を測定したところ、５×１０3ｃｍ-1であった。この光吸収係数値は活性層１０５で発生するレーザ光を閉じ込めるのに必要充分な値であり、薄膜でも有効に光を吸収することができるので、このＧａＮ層１０８は活性層１０５における横方向への光閉じ込め効果を有する。
【００４７】
その後、通常の電子ビーム蒸着及びフォトリソグラフプロセスにより低温成長ＧａＮ層１０８上に幅約１μｍのストライプ状開口部を有するＳｉＯ2マスクパターンを形成し、３０℃に保った１０規定水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液で１０分間エッチングすることによりマスク開口部のＧａＮ層を除去してストライプ状開口部１２０を有する電流狭窄層１０８を形成した。このとき、高温で成長されたｐ型ＧａＮ層１０６は極めてエッチングされ難いため、エッチングストップ層として有効に機能する。
【００４８】
次に、ＳｉＯ2マスクを弗化水素酸（ＨＦ）により除去したウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉にセットして温度を１０５０℃まで上昇させた。温度を１０５０℃で安定させた後、ＴＭＧを毎分４×１０-4モル、ＴＭＡ及びＣＰ2Ｍｇを毎分５×１０-6モル流し、２５分間成長を行うことにより約０．２μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層１０７を形成した後、ＴＭＡの供給を止めて１０分間成長を行うことにより約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を成長させた。このとき、低温成長された電流狭窄層１０８と再成長層であるｐ型第２クラッド層１０７との界面近傍では転位密度が極めて高く、第２クラッド層１０７と下部の層との間の応力を緩和して歪みを小さくすることができる。
【００４９】
その後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出し、窒素雰囲気中、７００℃で２０分間の熱処理を行うことによりマグネシウムを添加した第２クラッド層１０７とコンタクト層１０９の低抵抗ｐ型化を行った。この処理後のｐ型第２クラッド層１０７の正孔濃度は約１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型コンタクト層１０９の正孔濃度は約５×１０18ｃｍ-3であった。
【００５０】
次に、通常の方法によりエッチングを行ってｎ型コンタクト層１０３を露出させ、その上にＴｉ−Ａｌからなるｎ型電極１１０を形成し、ｐ型コンタクト層１０９上にはＮｉ−Ａｌからなるｐ型電極１１１を形成した。
【００５１】
その後、スクライビング又はダイシングによりウェハーをチップに分割し、図１に示した半導体レーザ素子１００を作製した。この半導体レーザ素子１００は、通常の方法によりパッケージに実装して半導体レーザが完成する。
【００５２】
このようにして得られた半導体レーザにおいて、端面反射鏡に反射率を制御するためのコーティングを施さずに電流を流したところ、典型的な特性として、４０ｍＡの閾値電流で４３２ｎｍの青色波長での半導体レーザ発振が観測され、このときの立ち上がり電流は３Ｖであった。また、５ｍＷ出力時の駆動電流は４７ｍＡ、そのときの効率は０．３Ｗ／Ａ、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、典型的な放射角特性として垂直方向の広がり角が１２゜で楕円率が２の安定したシングル横モードが得られ、１００時間以上の連続発振が確認できた。
【００５３】
このように本実施形態１によれば、４０ｍＡという低い発振閾値電流、１００時間以上の信頼性及び安定した横モード特性の全てを満足する窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能であった。この理由は、レーザ発振波長である青色領域において、通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも１桁以上小さい不純物準位に関与する吸収機構を電流狭窄層１０８に適用したことにより５×１０3ｃｍ-1という低い吸収係数を実現することができたからであり、その結果、レーザ横モードを安定化させるのに充分な光吸収を有する導波路を実現すると共に導波路の光吸収損失を低減して閾値電流の異常な上昇を抑えることができたからである。また、電流狭窄層１０８は高濃度に不純物を含んで高抵抗化されているので、有効に電流を阻止して電流狭窄を行うことができる。
【００５４】
次に、本実施形態１の半導体レーザ素子１００における電流狭窄層１０８の成長温度について説明する。
【００５５】
ここでは、電流狭窄層１０８の成長温度を上述の５００℃から３００℃、４００℃、６００℃及び７００℃に変化させ、それ以外は上述した製造工程と同様にして４つの半導体レーザ素子を作製した。
【００５６】
電流狭窄層１０８の成長温度を６００℃以下（３００℃、４００℃及び６００℃）とした半導体レーザ素子では横モードがいずれも単一横モードを示したが、電流狭窄層１０８の成長温度を７００℃とした半導体レーザ素子では電流値を変化させると発振モードの形が変化する不安定モードになった。
【００５７】
また、電流狭窄層１０８の成長温度を７００℃とした半導体レーザ素子では上述したようなウェットエッチングも不可能であった。
【００５８】
一方、発振閾値電流値は、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では１２０ｍＡ、成長温度４００℃では６０ｍＡ、成長温度６００℃では３５ｍＡ、成長温度７００℃では１７ｍＡであり、成長温度が高い程、発振閾値電流値が低くなる傾向を示した。このうち、電流狭窄層１０８の成長温度が３００℃の半導体レーザ素子では閾値電流が１００ｍＡを超え、素子寿命が１分しか保てないため、実用的でないことが分かった。
【００５９】
これらの半導体レーザ素子に対して電流狭窄層１０８に含まれる炭素密度を測定したところ、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では７×１０21ｃｍ-3、成長温度４００℃では３×１０21ｃｍ-3、成長温度６００℃では１×１０20ｃｍ-3、成長温度７００℃では６×１０18ｃｍ-3であった。また、電流狭窄層１０８でのレーザ波長に対する光吸収係数は、電流狭窄層１０８の成長温度３００℃では１×１０5ｃｍ-1、成長温度４００℃では３×１０4ｃｍ-1、成長温度６００℃では１×１０3ｃｍ-1、成長温度７００℃では１×１０2ｃｍ-1であった。
【００６０】
従って、本実施形態１において、電流狭窄層１０８に適度な光吸収を実現し、レーザ発振の横モードを安定させて閾値電流の不要な上昇を防ぐためには、電流狭窄層１０８の成長温度を４００℃〜６００℃とするのが好ましく、また、電流狭窄層１０８の炭素密度を３×１０21ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが好ましいことが分かった。
【００６１】
なお、本実施形態１において、電流狭窄層１０８はＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の全ての組成で形成可能であるが、Ａｌ組成が高い場合には高抵抗化、対エッチング性低下及び光吸収係数低下の傾向があり、Ｉｎ組成が高い場合には低抵抗化、対エッチング性低下及び光吸収係数増加の傾向がある。従って、本実施形態１では、これらの３要素を検討して最も良好な特性を示すＧａＮを用いて電流狭窄層１０８を形成した。
【００６２】
（実施形態２）
図２は実施形態２の窒化物系化合物半導体レーザ素子２００の構成を示す断面図である。
【００６３】
この半導体レーザ素子２００は、サファイア基板２０１のＣ面に、ＧａＮバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層２０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層２０５、ｐ型ＧａＮ再蒸発防止層２０６及びｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層２０７が積層形成されている。第２クラッド層２０７にはストライプ状部分２２０を除いて荷電粒子が照射され、照射部が電流狭窄層２０８となり、ストライプ状部分２２０が電流通路となっている。第１クラッド層２０４、活性層２０５、再蒸発防止層２０６、第２クラッド層２０７及び電流狭窄層２０８はコンタクト層２０３を露出させるようにその一部が除去されている。コンタクト層２０９の上にはｐ型電極２１１が形成され、コンタクト層２０３の露出部上にはｎ型電極２１０が形成されている。
【００６４】
この半導体レーザ素子２００は、以下のようにして作製した。
【００６５】
まず、実施形態１と同様の製造工程によりサファイア基板（ウェハー）（Ｃ面）２０１上にＧａＮバッファ層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層２０４、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層２０５、ｐ型ＧａＮ再蒸発防止層２０６及びｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層２０７を成長させた後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出す。
【００６６】
次に、取り出したウェハーを収束イオンビーム装置にセットし、幅約１μｍのストライプ状部分２２０を除いた部分に１０×１５ｃｍ-2のドーズ量でＧａイオンの打ち込みを行った。ここでは、Ｇａイオン注入領域のパターンを電流狭窄層２０８のパターンとし、Ｇａイオンの注入深さが０．４μｍとなるようにＧａイオンの加速電圧を設定した。このとき、Ｇａイオンが照射された領域（電流狭窄層２０８）の抵抗率は６×１０3Ω・ｃｍであった。ここで、窒化物系化合物半導体は構成原子の結合が強いのでイオン照射によるエッチング量が極めて少なく、また、Ｃ軸方向に一様にエッチングされるので、イオン照射後の表面は平滑に保たれ、イオン照射部と非照射部との段差を表面段差計を用いて測定したところ、３ｎｍであった。また、熔融ＫＯＨによるエッチピットを観察したところ、密度は１×１０13ｃｍ-2であり、ａｓ ｇｒｏｗｎ ＧａＮ単結晶膜に対して２桁以上高い密度であった。さらに、Ｇａイオン照射領域（電流狭窄層２０８）の光吸収係数は５×１０4ｃｍ-1であり、Ｇａイオン非照射領域に比べて充分大きいことが確認された。
【００６７】
続いて、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉にセットして温度を１０５０℃まで上昇させ、温度を１０５０℃で安定させた後、ＴＭＧを毎分４×１０-4モル、ＣＰ2Ｍｇを毎分５×１０-6モル流し、１０分間成長を行うことによりｐ型クラッド層２０７及び電流狭窄層２０８の表面に約０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を成長させた。
【００６８】
その後、ウェハーをＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出し、窒素雰囲気中、７００℃で２０分間の熱処理を行うことによりマグネシウムを添加した第２クラッド層２０７とコンタクト層２０９の低抵抗ｐ型化を行った。この処理後のｐ型第２クラッド層２０７の正孔濃度は約１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型コンタクト層２０９の正孔濃度は約５×１０18ｃｍ-3であった。一方、電流狭窄層２０８はＧａイオン照射によりキャリアトラップが高濃度に形成されているため、熱処理を行っても低抵抗化することはない。
【００６９】
次に、通常の方法によりエッチングを行ってｎ型コンタクト層２０３を露出させ、その上にＴｉ−Ａｌからなるｎ型電極２１０を形成し、ｐ型コンタクト層２０９上にはＮｉ−Ａｌからなるｐ型電極２１１を形成した。
【００７０】
その後、スクライビング又はダイシングによりウェハーをチップに分割し、図２に示した半導体レーザ素子２００を作製した。この半導体レーザ素子２００は、通常の方法によりパッケージに実装して半導体レーザが完成する。
【００７１】
このようにして得られた半導体レーザにおいて、端面反射鏡に反射率を制御するためのコーティングを施さずに電流を流したところ、典型的な特性として、５０ｍＡの閾値電流で４３２ｎｍの青色波長での半導体レーザ発振が観測され、このときの立ち上がり電流は３Ｖであった。また、５ｍＷ出力時の駆動電流は４７ｍＡ、そのときの効率は０．３Ｗ／Ａ、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、典型的な放射角特性として垂直方向の広がり角が１２゜で楕円率が２の安定したシングル横モードが得られ、１００時間以上の連続発振が確認できた。
【００７２】
このように本実施形態２においても、５０ｍＡという低い発振閾値電流、１００時間以上の信頼性及び安定した横モード特性の全てを満足する窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能であった。この理由は、レーザ発振波長である青色領域において、通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい５×１０4ｃｍ-1という低い吸収係数を実現することができたからであり、その結果、レーザ横モードを安定化させるのに充分な光吸収を有する導波路を実現すると共に導波路の光吸収損失を低減して閾値電流の異常な上昇を抑制することができたからである。また、電流狭窄層２０８は荷電粒子照射によりキャリアトラップが高密度に形成されて高抵抗化されているので、有効に電流を阻止して電流を狭窄することができる。
【００７３】
なお、本実施形態２においては、ビームを精密に制御でき、ＳｉＯ2等のマスクを用いることなくパターンの描画が可能である収束イオンビームを用いたが、マスクを用いたイオン打ち込みによっても同様に電流狭窄層２０８を形成可能である。
【００７４】
また、本実施形態２において、電流狭窄層２０８はｐ型第２クラッド層２０７の一部に荷電粒子を照射して形成したが、照射部はこれに限定されない。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態１及び実施形態２において示した材料や層構造の組み合わせに限らず、例えば、ＧａＮ活性層／ＡｌＧａＮクラッド層等の組み合わせで構成されるダブルヘテロ構造や窒化物系化合物半導体で構成される単一量子井戸（ＳＱＷ）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）を活性層として有する窒化物系化合物半導体レーザ素子に対しても本発明を適用可能である。また、上記実施形態１及び２においては、サファイア基板のＣ面上に半導体層を成長させた例について説明したが、サファイア基板のＡ面、Ｍ面、Ｒ面やＳｉＣ、ＧａＡｓやＺｎＯ等公知の基板を使用することが可能である。また、ｎ型基板上に半導体層を成長させたレーザ構造及びｐ型基板上に半導体層を成長させたレーザ構造のいずれに対しても本発明は適用可能である。さらに、半導体レーザ素子の製造工程で使用される膜の成長方法としては、以上の説明で言及したＭＯＣＶＤ法以外に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＬＰＥ（液相成長）法、ＭＯ−ＭＢＥ法、或いはＡＬＥ（原子エピタキシー）法などの適用が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による場合には、窒化物系化合物半導体レーザ素子における電流狭窄層が非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させた高抵抗層からなり、或いは窒化物系化合物半導体の結晶に荷電粒子を照射した高抵抗層からなるので、電流を有効に狭窄すると共に光閉じ込めを行うことができる。この電流狭窄層によれば通常の半導体のバンド間吸収を利用した吸収係数（５×１０5ｃｍ-1）よりも小さい吸収係数を実現することができるので、レーザ発振の際の閾値電流を低減すると共に半導体レーザ素子各部での発熱量を少なくすることができる。よって、従来では実現できなかった低駆動電流で信頼性が高く発振の横モードが安定した窒化物系化合物半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７７】
また、本発明にあっては、非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体を７００℃未満の低温で制御性良く成長させることができ、膜中に炭素（Ｃ）又は珪素（Ｓｉ）を高濃度（例えば１×１０20ｃｍ-3以上）に含ませて極めて高抵抗にすることができる。よって、有効に電流を阻止すると共に必要充分な吸収係数を有する電流狭窄層を作製することができる。この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、フォトリソグラフィに適した８０℃以下の温度で容易にウェットエッチング可能であるので、半導体レーザ素子の歩留まりを大幅に向上させることができる。また、この非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体は、エッチング後の再成長に至る昇温過程において不純物を高濃度に含んだ状態で単結晶化されるので、その上の半導体層の結晶品質を良好にして優れた素子特性を実現することができる。さらに、電流狭窄層として従来では使用困難であった窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、半導体レーザ素子の動作中の破損を防いで信頼性を大幅に向上させることができる。
【００７８】
また、本発明にあっては、活性層の上方側のクラッド層にストライプ状部分を除いて荷電粒子を照射することにより照射部を高抵抗化することができるので、電流通路となるストライプ状部分（非照射部）と電流狭窄層（照射部）とを制御性良く形成することができる。電流狭窄層は欠陥準位により吸収係数が増大するので、必要充分な光吸収を有する電流狭窄層が得られる。また、荷電粒子照射による高抵抗化により表面のダメージを極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子の歩留まりを大幅に向上させることができる。さらに、電流狭窄層として従来では使用困難であった窒化物系化合物半導体（ＧａxＡｌyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いることができるので、半導体レーザ素子の動作中の破損を防いで信頼性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】実施形態２の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図３】従来の窒化物系化合物半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１００、２００ 半導体レーザ素子
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２ バッファ層
１０３、２０３ ｎ型コンタクト層
１０４、２０４ ｎ型第１クラッド層
１０５、２０５ 活性層
１０６ ｐ型エッチングストップ・再蒸発防止層
１０７、２０７ ｐ型第２クラッド層
１０８、２０８ 電流狭窄層
１０９、２０９ ｐ型コンタクト層
１１０、２１０ ｎ型電極
１１１、２１１ ｐ型電極
１２０ ストライプ状開口部
２０６ ｐ型再蒸発防止層
２２０ ストライプ状部分
Claims (4)
- 基板上に、一対のクラッド層と、両クラッド層で挟まれた活性層と、該活性層の上方に電流通路となるストライプ状開口部を有して設けられた電流狭窄層とを有する窒化物系化合物半導体レーザ素子において、
該電流狭窄層が、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を加熱して結晶化させることによって、１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ − 1 よりも小さい光吸収係数を有することを特徴とする、窒化物系化合物半導体レーザ素子。 - 前記活性層と前記電流狭窄層との間に再蒸発防止層又はエッチングストップ層が設けられている請求項１に記載の窒化物系化合物半導体レーザ素子。
- 前記電流狭窄層の上方及び前記ストライプ状開口部の上方にわたってコンタクト層が設けられている請求項１または請求項２に記載の窒化物系化合物半導体レーザ素子。
- 請求項１に記載の窒化物系化合物半導体レーザ素子を製造する方法であって、
基板上に第１クラッド層を成長させて、該第１クラッド層上に活性層を成長させる工程と、
該活性層上に、不純物を１×１０２０ｃｍ−３以上含む非晶質又は多結晶のＧａｘＡｌｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層を４００℃以上６００℃以下の温度で成長させる工程と、
該窒化物系化合物半導体層に８０℃以下の温度でウェットエッチングを行ってストライプ状開口部を形成する工程と、
所定温度に昇温した状態で、該ストライプ状開口部を埋め込むように第２クラッド層を成長させることによって、前記窒化物系化合物半導体層を結晶化して１×１０３Ω・ｃｍ以上の抵抗率および５×１０５ ｃｍ −１ よりも小さい光吸収係数とする工程と
を含む窒化物系化合物半導体レーザ素子の製造方法。
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