JP4118065B2 - 窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、光ガイド層を含む窒化物系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待されており、その開発が盛んに行われている。
【０００３】
図１９は、従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。まず、図１９を参照して、従来の窒化物系半導体レーザ素子の構造を説明する。
【０００４】
従来の窒化物系半導体レーザ素子では、図１９に示すように、サファイア基板１０１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＧａＮからなる低温バッファ層１０２を介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０３が形成されている。ｎ型コンタクト層１０３の凸部上には、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラック防止層１０４、約０．５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド層１０５、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０６、活性層１０７、約１０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８、約５０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型クラッド層１１０、および、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１が順次形成されている。
【０００５】
また、活性層１０７は、約２．５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層と、約５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層とが交互に１３回繰り返して積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。この活性層１０７を挟み込むように形成されているｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９は、それぞれ、ｎ型クラッド層１０５と活性層１０７との中間の屈折率およびｐ型クラッド層１１０と活性層１０７との中間の屈折率を有する。これにより、ｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９は、活性層１０７に光を閉じ込める機能を有する。このように、ｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９を設ける構造は、分離光閉じ込め型レーザ構造と呼ばれている。この分離光閉じ込め型レーザ構造は、従来のＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザで広く用いられている。
【０００６】
なお、活性層１０７としてＩｎを含有する窒化物系半導体を用いる場合には、活性層１０７の成長温度は、Ｉｎを含有しないｐ型クラッド層１１０などの他の窒化物系半導体層の成長温度よりも低く設定することが多い。この場合には、活性層１０７上にＩｎを含有しない他の窒化物系半導体層を成長させる際に、活性層１０７を構成するＩｎＧａＮが高温の成長温度によって分解されるのを防止する必要がある。このため、従来では、活性層１０７上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８が形成されている。
【０００７】
また、ｐ型コンタクト層１１１からｎ型コンタクト層１０３までの一部領域がエッチングにより除去されている。この除去されて露出しているｎ型コンタクト層１０３上の一部領域に、ｎ側電極１１３が形成されている。また、エッチングされずに残ったｐ型コンタクト層１１１上には、ｐ側電極１１２が形成されている。
【０００８】
ここで、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子では、ｐ側電極１１２とｎ側電極１１３との間に順方向に電圧を印加することによって、ｐ側電極１１２から窒化物系半導体各層（１０３〜１１１）を介して、ｎ側電極１１３に電流が流れる。これにより、活性層１０７でレーザ光が発生する。この場合、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子では、活性層１０７の全領域に電流が注入されるので、活性層１０７に注入される電流密度が低くなる。このため、しきい値電流を低減することが困難であった。
【０００９】
そこで、従来、電流狭窄を行うことによって、活性層の一部領域のみに電流を注入する窒化物系半導体レーザが提案されている。図２０は、従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【００１０】
図２０を参照して、従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、サファイア基板１０１上に形成される窒化物系半導体各層１０２〜１０９およびｎ側電極１１３は、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子と同様の膜厚および組成を有する。そして、ｐ型光ガイド層１０９上には、突出部を有するｐ型クラッド層１２０が形成されている。ｐ型クラッド層１２０の突出部上には、ｐ型コンタクト層１２１が形成されている。このｐ型コンタクト層１２１とｐ型クラッド層１２０の突出部とによってストライプ状のリッジ部１２８が構成されている。また、リッジ部１２８の側面上およびｐ型クラッド層１２０の露出している領域には、絶縁膜１２３が形成されている。また、リッジ部１２８を構成するｐ型コンタクト層１２１上には、ｐ側電極１２２が形成されている。
【００１１】
図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、リッジ部１２８を形成することにより、ｐ側電極１２２からの電流狭窄を行うことによって、活性層１０７の一部領域のみに電流を注入する。これにより、活性層１０７に注入される電流密度を高くすることができるので、しきい値電流の低減を図ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図２１は、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。図２２は、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。図２１および図２２を参照して、以下に、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の問題点について説明する。図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、図２１に示すように、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８とＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９とのバンドギャップ差が大きくなる。このため、図２１中の右側から左側に注入される正孔１８１が、活性層１０７に注入されにくいという不都合があった。
【００１３】
また、３元混晶のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８は、バンドギャップが大きいので、ドープされたｐ型不純物がキャリアを発生する率（ｐ型活性化率）が低く、かつ、合金散乱の影響によってキャリアの移動度が低くなる。このため、ｐ型キャップ層１０８は、抵抗が高くなりやすい。その一方、２元混晶のｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９は、バンドギャップが小さいので、キャリアの移動度が高くなる。このため、ｐ型光ガイド層１０９は、抵抗が低くなりやすい。
【００１４】
これにより、図２２に示すように、ｐ側電極１２２からの注入電流１８０は、ｐ型光ガイド層１０９からｐ型キャップ層１０８に流れる際に、抵抗の高いｐ型キャップ層１０８によって堰き止められるので、注入電流１８０が抵抗の低いｐ型光ガイド層１０９内において横方向に広がるという不都合があった。このため、ｐ型光ガイド層１０９の下方に形成されている活性層１０７には、横方向に広がった状態で電流１８０が注入されるので、活性層１０７内において電流密度を高くするのが困難であった。その結果、活性層１０７内において電流密度が低くなるので、しきい値電流が増加するという問題点があった。また、横方向に広がった注入電流１８０は、レーザ光の発生に寄与しないので、発光効率が低下するという問題点もあった。
【００１５】
また、図２１に示したように、ｐ型キャップ層１０８とｐ型光ガイド層１０９とのバンドギャップ差が大きいので、ｐ型キャップ層１０８とｐ型光ガイド層１０９との界面で正孔１８１が捕獲されやすくなる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上させることが困難であり、その結果、高速動作が困難であるという問題点もあった。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、しきい値電流を低減し、かつ、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【００１７】
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体レーザ素子おいて、パルス駆動による高速動作を可能にすることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、電流狭窄を行うことによって、活性層の一部領域のみに電流を注入する窒化物系半導体レーザ素子であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる量子井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる量子障壁層（ただし、ｘ＞ｙ）とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の第１の主面側に形成された第１キャリアブロック層と、前記第１キャリアブロック層の表面上に形成され、前記第１キャリアブロック層よりも小さいバンドギャップを有するとともに、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層の表面上に形成された第１導電型の第１クラッド層とを備えている。
【００１９】
この一の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによって、Ａｌを含有する窒化物系半導体層はドーパントの活性化率が低いので、第１光ガイド層の抵抗が高くなる。これにより、第１光ガイド層において横方向に電流が広がるのを抑制することができるので、活性層に注入される電流密度を高めることができる。その結果、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電流を低減することができるので、発光効率を向上させることができる。また、第１キャリアブロック層のバンドギャップは、第１光ガイド層よりも大きいので、第１キャリアブロック層により活性層から第１導電型の第１クラッド層へ電子が漏れるのを抑制することができる。これにより、電子の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００２０】
上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャリアブロック層は、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む。このように構成すれば、第１キャリアブロック層と、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、容易に活性層へ正孔を注入することができる。これにより、第１光ガイド層において横方向に電流が広がるのをより抑制することができるので、活性層に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。また、第１キャリアブロック層と第１光ガイド層とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、第１キャリアブロック層と第１光ガイド層との界面で正孔が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００２１】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層の第２の主面側に形成され、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第２光ガイド層をさらに備える。このように構成すれば、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第２光ガイド層の抵抗が高くなるので、第２ガイド層において電子の流れが横方向に広がるのを抑制することができる。これにより、電子の流れの横方向の広がりに起因するしきい値電流の増大や発光効率の低下を抑制することができる。
【００２２】
この場合、第２光ガイド層と活性層との間に形成され、第２光ガイド層よりも大きいバンドギャップを有する第２キャリアブロック層をさらに備えるのが好ましい。このように構成すれば、第２キャリアブロック層により活性層から第２導電型のクラッド層へ正孔が漏れるのを抑制することができる。これにより、正孔の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００２３】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第２光ガイド層は、アンドープの第２光ガイド層を含む。このように構成すれば、第２光ガイド層の抵抗がより高くなるので、第２ガイド層において電子の流れが横方向に広がるのをより抑制することができる。これにより、電子の流れの横方向の広がりに起因するしきい値電流の増大や発光効率の低下を抑制することができる。また、アンドープの第２光ガイド層を用いれば、第２光ガイド層にドープされた不純物が活性層に拡散することに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。これにより、素子の長寿命化を図ることができる。
【００２４】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１クラッド層の電流通過領域以外の領域の少なくとも一部に、不純物元素をイオン注入することにより形成されたイオン注入層をさらに備える。このように構成すれば、イオン注入された不純物元素とイオン注入による結晶欠陥とが第１クラッド層の下に位置する第１光ガイド層に微量に含まれるので、第１光ガイド層における電流の横方向の広がりをより低減することができる。
【００２５】
なお、上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、基板はＧａＮ基板でもよい。このように構成すれば、ＧａＮ基板上に形成される窒化物系半導体各層の転位密度が低くなるので、高品質な結晶を得ることができる。このような高品質な結晶によって、たとえば、ＧａＮからなる光ガイド層を形成すると、キャリア（正孔や電子）の横方向の広がりが大きくなりやすい。この場合には、上記したＡｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによる電流の横方向の広がりを抑制する効果がより大きくなる。また、高品質な結晶によりＧａＮからなる光ガイド層を形成すると、第１光ガイド層と第１キャリアブロック層との界面でのキャリア（正孔や電子）がより捕獲されやすくなる。この場合、上記したＡｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによる第１光ガイド層と第１キャリアブロック層との界面での正孔の捕獲を抑制する効果がより大きくなる。その結果、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上させる効果がより大きくなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図３は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。図４は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。まず、図１〜図４を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００２８】
第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１および図２に示すように、導電性のｎ型ＧａＮ基板１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型層２が形成されている。ｎ型層２上には、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上には、多層膜構造からなる発光層４が形成されている。
【００２９】
この発光層４は、図２に示すように、ｎ型光ガイド層４１と、ｎ型光ガイド層４１上に形成されたＭＱＷ活性層４２と、ＭＱＷ活性層４２上に形成されたｐ型キャリアブロック層４３と、ｐ型キャリアブロック層４３上に形成されたｐ型光ガイド層４４とを含んでいる。第１実施形態によるｎ型光ガイド層４１は、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる。ＭＱＷ活性層４２は、約３．５ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層４２ａと、約２０ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層４２ｂとが交互に積層された構造を有する。ここで、ｘ＞ｙであり、第１実施形態においては、ｘ＝０．１５、ｙ＝０．０５である。なお、ｎ型光ガイド層４１は、本発明の「第２光ガイド層」の一例であり、ＭＱＷ活性層４２は、本発明の「活性層」の一例である。
【００３０】
ここで、第１実施形態では、ｐ型キャリアブロック層４３は、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる。また、ｐ型光ガイド層４４は、約０．１μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる。また、ｐ型光ガイド層４４は、ｐ型キャリアブロック層４３よりも小さいバンドギャップを有する。なお、ｐ型キャリアブロック層４３は、本発明の「第１キャリアブロック層」の一例であり、ｐ型光ガイド層４４は、本発明の「第１光ガイド層」の一例である。
【００３１】
また、発光層４上には、図１に示すように、突出部を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層５が形成されている。このｐ型クラッド層５の突出部の膜厚は、約０．２８μｍであり、突出部以外の領域の膜厚は、約０．０５μｍである。また、突出部の幅は、約１．６μｍである。なお、ｐ型クラッド層５は、本発明の「第１クラッド層」の一例である。そして、ｐ型クラッド層５の突出部上には、約０．０７μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型第１コンタクト層６と、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型第２コンタクト層７とが順次形成されている。そして、ｐ型クラッド層５の突出部と、ｐ型第１コンタクト層６と、ｐ型第２コンタクト層７とによって、リッジ部８が構成されている。このリッジ部８の側面上とｐ型クラッド層５の露出している領域上とに、ＳｉＯ2からなる電流ブロック層９が形成されている。
【００３２】
また、リッジ部８を構成するｐ型コンタクト層７上には、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極１０が、ストライプ状（細長状）に形成されている。そして、ｐ側オーミック電極１０の上面および側面上と、電流ブロック層９上とには、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１１が形成されている。
【００３３】
また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１２が形成されている。ｎ側オーミック電極１２の裏面上には、ｎ側オーミック電極１２の裏面に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１３が形成されている。
【００３４】
第１実施形態では、上記のように、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を設けることによって、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４は、ｐ型ドーパントの活性化率が低く、かつ、合金散乱の影響によりキャリアの移動度が小さいので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗が高くなる。これにより、図３に示すように、ｐ型光ガイド層４４から抵抗の高いｐ型キャリアブロック層４３へ電流が流れる場合に、ｐ型光ガイド層４４の抵抗が高いので、ｐ型光ガイド層４４において電流８０が横方向に広がるのを抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電流を低減することができるので、発光効率を向上させることができる。また、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３のバンドギャップは、ｐ型光ガイド層４４よりも大きいので、ｐ型キャリアブロック層４３によってＭＱＷ活性層４２からｐ型クラッド層５への電子の漏れが抑制される。これにより、電子の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を設けることによって、図４に示すように、ｐ型光ガイド層４４と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とのバンドギャップ差を従来（図２１参照）に比べて小さくすることができる。これにより、図４中の右側から左側へ注入される正孔８１を、容易に、ＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、これによってもＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができる。また、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差が小さくなることによって、ｐ型キャリアブロック層４３をトンネルするトンネル電流が指数関数的に増加する。これにより、より容易に、正孔８１をＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、図４に示したように、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４との界面において、図２１に示した従来の場合と異なり、深いポテンシャルバリアが形成されるのを抑制することができる。このため、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４との界面で正孔８１（図４参照）が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００３７】
図５〜図１０は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１、図２および図５〜図１０を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００３８】
まず、図５に示すように、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型層２、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層３および多層膜構造からなる発光層４を順次形成する。
【００３９】
この発光層４を形成する際には、図２に示したように、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１上に、約３．５ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層４２ａと、約２０ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層４２ｂとを交互に積層することによって、ＭＱＷ活性層４２を形成する。そして、ＭＱＷ活性層４２上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３、および、約０．１μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を順次形成する。
【００４０】
次に、発光層４上に、図５に示すように、約０．２８μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層５、約０．０７μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型第１コンタクト層６、および、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型第２コンタクト層７を順次形成する。
【００４１】
次に、図６に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上のほぼ全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜１４を形成する。そして、ＳｉＯ2膜１４上に、フォトレジスト１５を塗布した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、約１．６μｍの幅を有するストライプ状のフォトレジスト１５を形成する。そして、ＣＦ4ガスによるＲＩＥ法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて、フォトレジスト１５をマスクとして、ＳｉＯ2膜１４をエッチングする。これにより、図７に示すように、約１．６μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜１４が形成される。この後、フォトレジスト１５を除去する。
【００４２】
次に、図８に示すように、Ｃｌ2ガスによるＲＩＥ法を用いて、ＳｉＯ2膜１４をマスクとして、ｐ型第２コンタクト層７からｐ型クラッド層５の一部をエッチング除去することにより、リッジ部８が形成される。このとき、ｐ型クラッド層５の突出部以外の領域の膜厚が、約０．０５μｍとなるようにエッチング深さを制御する。この後、ＨＦ系エッチャントを用いて、ＳｉＯ2膜１４を除去する。
【００４３】
次に、図９に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィー技術およびＣＦ4ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７の上面が露出するようにＳｉＯ2膜を除去することによって、ＳｉＯ2膜からなる電流ブロック層９が形成される。
【００４４】
次に、図１０に示すように、真空蒸着法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上に、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極１０を、ストライプ状（細長状）に形成する。そして、ｐ側オーミック電極１０の上面および側面上と、電流ブロック層９上とに、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１１を形成する。
【００４５】
最後に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研磨することによって、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の膜厚（たとえば、約１００μｍ）にする。この後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１２を形成する。そして、ｎ側オーミック電極１２の裏面上に、ｎ側オーミック電極１２の裏面に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１３を形成する。このようにして、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００４６】
（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１１を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態のリッジ部を形成することにより電流狭窄を行う場合と異なり、イオン注入層３２を形成することにより電流狭窄を行う例について説明する。
【００４７】
この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する窒化物系半導体各層（ｎ型層２、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７）が順次形成されている。
【００４８】
そして、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７には、炭素（Ｃ）がイオン注入されることにより形成された約０．３２μｍの注入深さを有するイオン注入層３２が設けられている。なお、炭素（Ｃ）は、本発明の「不純物元素」の一例である。この場合、イオン注入された炭素濃度のピーク深さは、ｐ型第２コンタクト層７の上面から約０．２３μｍのｐ型クラッド層５の領域内に位置する。また、このピーク深さにおけるピーク濃度は、約１．０×１０20ｃｍ-3である。この場合、イオン注入層３２は、多量のイオンが半導体中に注入されることによって、他の領域よりも結晶欠陥を多く含んでいる。なお、電流通路部２８となるイオン注入されていない領域（非注入領域）は、約２．１μｍの幅で形成されている。なお、第２実施形態では、Ｒｐ＋ΔＲｐを注入深さ（イオン注入層３２の厚み）と定義した。Ｒｐはピーク深さであり、ΔＲｐは飛程の標準偏差である。また、後述する製造プロセスにおけるイオン注入時において、イオン注入マスク層３４の下部に、イオンの横方向への広がり（ΔＲｌ）が生じる。このとき、イオン注入時のイオン注入マスク層３４の幅をＷとすると、イオン注入マスク層３４の下部のイオンが注入されない領域の幅Ｂは、Ｂ＝Ｗ−２×ΔＲｌとなる。
【００４９】
また、イオン注入層３２は、イオン注入層３２に多く含まれる結晶欠陥により高抵抗となるので電流狭窄層として機能するとともに、結晶欠陥に起因した光吸収が起こるので光吸収層としても機能する。なお、イオン注入層３２において、電流狭窄だけでなく光の横方向の閉じ込めも十分に行うには、イオン注入された炭素の不純物濃度の極大値が約５×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。これにより、イオン注入層３２は、電流通過部２８よりも結晶欠陥が多くなるので、この多く含まれる結晶欠陥により光吸収を行うことができる。その結果、発光層４内において、横方向の光閉じ込めを行うことができるので、横モードの安定化を図ることができる。
【００５０】
また、ｐ型第２コンタクト層７上には、開口部３３ａを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３が形成されている。この開口部３３ａの幅は、電流通路部２８の幅よりも狭く形成されている。絶縁膜３３上には、絶縁膜３３の開口部３３ａを介して、ｐ型第２コンタクト層７の上面に接触するとともに、絶縁膜３３の上面上に延びるように、ｐ側オーミック電極３０が形成されている。ｐ側オーミック電極３０は、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなる。ｐ側オーミック電極３０上には、ｐ側パッド電極３１が形成されている。ｐ側パッド電極３１は、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３が形成されている。
【００５１】
第２実施形態では、炭素をイオン注入することによって、炭素イオンと、イオン注入による結晶欠陥とがｐ型クラッド層５の下に位置するｐ型光ガイド層４４（図２参照）に微量に含まれる。これにより、ｐ型光ガイド層４４の抵抗がより高くなるので、第１実施形態に比べて、ｐ型光ガイド層４４における電流の横方向の広がりをより低減することができる。
【００５２】
なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００５３】
図１２〜図１５は、図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１１〜図１５を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００５４】
まず、図１２に示すように、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型層２からｐ型第２コンタクト層７までを順次形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上の全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2膜を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって、約２．２μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜からなるイオン注入マスク層３４を形成する。そして、イオン注入マスク層３４およびｐ型第２コンタクト層７を覆うように、ＳｉＯ2膜からなるスルー膜３５を形成する。
【００５５】
そして、図１３に示すように、イオン注入マスク層３４をマスクとして、スルー膜３５を介して、炭素のイオン注入を行うことによって、イオン注入層３２を形成する。その後、ＣＦ4ガスによるドライエッチングを用いて、スルー膜３５を除去する。
【００５６】
次に、図１４に示すように、ＥＢ蒸着法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７およびイオン注入マスク層３４の全面を覆うように、約５０ｎｍの厚みを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３を素子の垂直方向から蒸着する。これにより、イオン注入マスク層３４の側壁部には、絶縁膜３３はほとんど形成されない。
【００５７】
次に、図１５に示すように、フッ酸系エッチャントによるエッチングを行うことによって、イオン注入マスク層３４と絶縁膜３３の一部とを除去する。この場合、絶縁膜３３は、ほとんどエッチングされないので、イオン注入マスク層３４の側壁部に位置する絶縁膜３３のみが完全に除去される。そして、イオン注入マスク層３４は、イオン注入マスク層３４の側壁部に位置する絶縁膜３３が除去された後、完全に除去される。その結果、電流通路部２８の上面上に、開口部３３ａを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３が形成される。
【００５８】
最後に、絶縁膜３３上に、開口部３３ａを介してｐ型第２コンタクト層７の上面に接触するように、ｐ側オーミック電極３０およびｐ側パッド電極３１を順次形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の膜厚に研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、ｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３を形成する。このようにして、図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００５９】
（第３実施形態）
図１６は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図１６を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態と異なり、発光層４ａ内において、ｎ型光ガイド層４１とＭＱＷ活性層４２との間に、ｎ型キャリアブロック層４５を設けた例について説明する。なお、第３実施形態のその他の構造および製造プロセスは、第１実施形態と同様である。
【００６０】
すなわち、第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１６に示すように、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５が形成されている。このｎ型キャリアブロック層４５は、ｎ型光ガイド層４１よりも大きいバンドギャップを有する。なお、ｎ型キャリアブロック層４５は、本発明の「第２キャリアブロック層」の一例である。そして、ｎ型キャリアブロック層４５上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するＭＱＷ活性層４２、ｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型光ガイド層４４が順次形成されている。上記窒化物系半導体各層（４１〜４５）によって、第３実施形態による発光層４ａが構成される。
【００６１】
第３実施形態では、上記のように、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５を設けることによって、ＭＱＷ活性層４２からｎ型クラッド層３への正孔の漏れを抑制することができる。特に、第３実施形態では、ＭＱＷ活性層４２を挟むように、ｎ型キャリアブロック層４５およびｐ型キャリアブロック層４３を配置することによって、第１実施形態に比べて、ＭＱＷ活性層４２からのキャリア（正孔や電子）の漏れをより抑制することができる。これにより、キャリア（正孔や電子）の閉じ込め特性をより向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのをより抑制することができる。その結果、素子の温度特性をより向上させることができる。
【００６２】
また、第３実施形態では、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５下に、ｎ型ドーパントの活性化率が低く、かつ、合金散乱の影響でキャリアの移動度が小さいｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１が形成されているので、ｎ型光ガイド層４１の抵抗が高くなる。これにより、ｎ型光ガイド層４１から抵抗の高いｎ型キャリアブロック層４５へ電子が流れる場合に、ｎ型光ガイド層４１の抵抗が高いので、ｎ型光ガイド層４１において電子の流れが横方向に広がるのを抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電子の流れを低減することができるので、発光効率を向上させることができる。
【００６３】
また、第３実施形態では、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５と、ｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１とを発光層４の一部に用いるので、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差を小さくすることができる。これにより、容易に、ＭＱＷ活性層４２へ電子を注入することができるので、これによってもＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができる。また、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差が小さくなることによって、ｎ型キャリアブロック層４５をトンネルするトンネル電流が指数関数的に増加する。これにより、より容易に、電子をＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。
【００６４】
また、第３実施形態では、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１との界面において、深いポテンシャルバリアが形成されるのを抑制することができる。このため、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１との界面で電子が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００６５】
また、第３実施形態では、発光層４において、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型光ガイド層４４を設けているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１７を参照して、この第４実施形態では、導電性のｎ型ＧａＮ基板を用いた上記第１〜第３実施形態と異なり、絶縁性のサファイア基板５１を用いる場合の例について説明する。
【００６７】
この第４実施形態よる窒化物系半導体レーザ素子では、図１７に示すように、サファイア基板５１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌＮからなるバッファ層５２ａを介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型コンタクト層５２ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層５２ｂ上には、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する各層（ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６、ｐ型第２コンタクト層７、電流ブロック層９、ｐ側オーミック電極１０およびｐ側パッド電極１１）が形成されている。そして、ｎ型コンタクト層５２ｂの一部領域がエッチング技術により除去されている。このｎ型コンタクト層５２ｂの除去されて露出している領域上には、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３が順次形成されている。
【００６８】
第４実施形態では、上記のように、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する発光層４を設けることによって、抵抗の高いｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４によりｐ型光ガイド層４４において横方向に電流が広がるのを抑制することができるとともに、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差を小さくすることができる。これにより、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、ｐ型光ガイド層４４よりも大きいバンドギャップを有するｐ型キャリアブロック層４３によりＭＱＷ活性層４２からｐ型クラッド層５への電子の漏れが抑制されるので、素子の温度特性が向上する。
【００６９】
ただし、この第４実施形態では、基板としてサファイア基板５１を用いるので、ｎ型ＧａＮ基板１を用いる第１実施形態に比べて、より多くの転位などの結晶欠陥が窒化物系半導体各層（５２ａ、５２ｂおよび３〜７）に含まれる。このため、サファイア基板５１を用いる第４実施形態では、キャリア（正孔や電子）が散乱して移動度が低下しやすくなるので、ｐ型光ガイド層４４での電流の横方向の広がりが比較的小さくなりやすい。このため、第４実施形態では、第１実施形態に比べて、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を用いることによるｐ型光ガイド層４４での横方向への電流の広がりを抑制する効果は小さくなる。
【００７０】
なお、第４実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００７１】
図１８は、図１７に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１７および図１８を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明する。
【００７２】
まず、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、サファイア基板５１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌＮからなるバッファ層５２ａを介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型コンタクト層５２ｂを形成する。そして、ｎ型コンタクト層５２ｂ上に、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７を順次形成する。次に、図１８に示すように、Ｃｌ2ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７からｎ型コンタクト層５２ｂまでの一部領域を除去する。そして、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、図１７に示すようなリッジ部８を形成した後、電流ブロック層９、ｐ側オーミック電極１０およびｐ側パッド電極１１を順次形成する。最後に、ｎ型コンタクト層５２ｂの露出された領域上に、ｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３を順次形成する。このようにして、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００７３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７４】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、約２０ｎｍの膜厚を有するｐ型キャリアブロック層４３を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、膜厚をより薄くしてもよい。たとえば、約１０ｎｍの膜厚を有するキャリアブロック層を用いてもよい。この場合、キャリアブロック層をトンネルする正孔が増加するので、ＭＱＷ活性層に注入される電流の密度をより高めることができる。これにより、しきい値電流をより低減することができる。
【００７５】
また、上記第１〜第４実施形態では、Ｓｉがドープされたｎ型光ガイド層４１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、アンドープのｎ型光ガイド層を用いてもよい。この場合、ｎ型光ガイド層４１にドープされたＳｉがＭＱＷ活性層４２に拡散することに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。これにより、素子の長寿命化を図ることができる。また、Ｍｇがドープされたｐ型光ガイド層４４をアンドープにすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、上記第１〜第４実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板１またはサファイア基板５１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＺｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＭｇＯおよびＭｎＯなどの酸化物、ＺｒＢ2などのホウ化物、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＳｉＣなどからなる基板を用いてもよい。
【００７７】
たとえば、ＧａＮ基板、または、窒化物系半導体との格子不整合が小さく、かつ、熱膨張係数差が小さいＺｒＢ2などのホウ化物からなる基板上に、窒化物系半導体各層を形成する場合、各層中の転位などの結晶欠陥が少なくなるので、高品質な結晶を有する光ガイド層およびキャリアブロック層などの窒化物系半導体各層を得ることができる。この場合、結晶欠陥の少ない光ガイド層では、キャリア（正孔および電子）の横方向の広がりがより大きくなりやすいとともに、結晶欠陥の少ない光ガイド層とキャリアブロック層との界面では、キャリア（正孔および電子）がより捕獲されやすくなる。したがって、ＧａＮ基板、または、ホウ化物からなる基板上に、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４およびｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３を設ける場合には、ｐ型光ガイド層４４およびｐ型キャリアブロック層４３による電流の横方向の広がりを抑制する効果およびｐ型光ガイド層４４とｐ型キャリアブロック層４３との界面での正孔の捕獲を抑制する効果がより大きくなる。
【００７８】
また、上記第１〜第３実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物系半導体各層、活性層およびｐ型窒化物系半導体各層を順次形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、ｐ型基板上に、ｐ型窒化物系半導体各層、活性層およびｎ型窒化物系半導体各層を順次形成するようにしてもよい。
【００７９】
また、上記第１、第３および第４実施形態では、リッジ型の窒化物系半導体レーザ素子の例について説明したが、本発明はこれに限らず、セルフアライン型にも適用可能である。
【００８０】
また、上記第１、第３および第４実施形態では、ＳｉＯ2（絶縁膜）からなる電流ブロック層９を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、他の材料からなる電流ブロック層を形成してもよい。たとえば、リッジ部を構成する窒化物系半導体と逆の導電型を有する窒化物系半導体、または、高抵抗を有する窒化物系半導体からなる電流ブロック層を形成してもよい。
【００８１】
また、上記第２実施形態では、炭素をイオン注入することによりイオン注入層３２を形成したが、本発明はこれに限らず、他の不純物をイオン注入してもよい。たとえば、シリコンなどの４族元素、亜鉛およびマグネシウムなどの２族元素、ホウ素、Ａｌ、ＧａおよびＩｎなどの３族元素、窒素、リン、ＡｓおよびＳｂなどの５族元素、または、酸素、イオウおよびＳｅなどの６族元素のいずれかをイオン注入してもよい。この場合、ｐ型光ガイド層４４において正孔の横方向の広がりを抑制するためには、窒化物系半導体に含まれることにより逆の導電型（ｎ型）になる不純物をイオン注入するのが好ましい。このような不純物をｐ型光ガイド層４４に微量に含ませることにより、ｐ型光ガイド層４４の正孔を補償することができるので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗をより高めることができる。たとえば、炭素およびシリコンなどの４族元素、または、酸素、イオウおよびＳｅなどの６族元素のいずれかが好ましい。また、窒化物系半導体の窒素空孔は、ｎ型伝導となるので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗を高める（正孔を補償する）ためには、ホウ素、Ａｌ、ＧａおよびＩｎなどの３族元素をイオン注入することによって、窒素空孔を増加させるのがより好ましい。
【００８２】
また、ｎ型光ガイド層４１において電子の横方向の広がりを抑制するためには、窒化物系半導体に含まれることにより逆の導電型（ｐ型）になる不純物をイオン注入するのが好ましい。たとえば、亜鉛およびマグネシウムなどの２族元素、または、窒素、リン、ＡｓおよびＳｂなどの５族元素のいずれかが好ましい。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、しきい値電流を低減し、かつ、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。
【図５】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１２】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１８】図１７に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１９】従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２０】従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２１】図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。
【図２２】図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。
【符号の説明】
５ ｐ型クラッド層（第１クラッド層）
４２ ＭＱＷ活性層（活性層）
４３ ｐ型キャリアブロック層（第１キャリアブロック層）
４４ ｐ型光ガイド層（第１光ガイド層）
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、光ガイド層を含む窒化物系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待されており、その開発が盛んに行われている。
【０００３】
図１９は、従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。まず、図１９を参照して、従来の窒化物系半導体レーザ素子の構造を説明する。
【０００４】
従来の窒化物系半導体レーザ素子では、図１９に示すように、サファイア基板１０１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＧａＮからなる低温バッファ層１０２を介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０３が形成されている。ｎ型コンタクト層１０３の凸部上には、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラック防止層１０４、約０．５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド層１０５、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０６、活性層１０７、約１０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８、約５０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型クラッド層１１０、および、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１が順次形成されている。
【０００５】
また、活性層１０７は、約２．５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層と、約５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層とが交互に１３回繰り返して積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。この活性層１０７を挟み込むように形成されているｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９は、それぞれ、ｎ型クラッド層１０５と活性層１０７との中間の屈折率およびｐ型クラッド層１１０と活性層１０７との中間の屈折率を有する。これにより、ｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９は、活性層１０７に光を閉じ込める機能を有する。このように、ｎ型光ガイド層１０６およびｐ型光ガイド層１０９を設ける構造は、分離光閉じ込め型レーザ構造と呼ばれている。この分離光閉じ込め型レーザ構造は、従来のＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザで広く用いられている。
【０００６】
なお、活性層１０７としてＩｎを含有する窒化物系半導体を用いる場合には、活性層１０７の成長温度は、Ｉｎを含有しないｐ型クラッド層１１０などの他の窒化物系半導体層の成長温度よりも低く設定することが多い。この場合には、活性層１０７上にＩｎを含有しない他の窒化物系半導体層を成長させる際に、活性層１０７を構成するＩｎＧａＮが高温の成長温度によって分解されるのを防止する必要がある。このため、従来では、活性層１０７上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８が形成されている。
【０００７】
また、ｐ型コンタクト層１１１からｎ型コンタクト層１０３までの一部領域がエッチングにより除去されている。この除去されて露出しているｎ型コンタクト層１０３上の一部領域に、ｎ側電極１１３が形成されている。また、エッチングされずに残ったｐ型コンタクト層１１１上には、ｐ側電極１１２が形成されている。
【０００８】
ここで、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子では、ｐ側電極１１２とｎ側電極１１３との間に順方向に電圧を印加することによって、ｐ側電極１１２から窒化物系半導体各層（１０３〜１１１）を介して、ｎ側電極１１３に電流が流れる。これにより、活性層１０７でレーザ光が発生する。この場合、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子では、活性層１０７の全領域に電流が注入されるので、活性層１０７に注入される電流密度が低くなる。このため、しきい値電流を低減することが困難であった。
【０００９】
そこで、従来、電流狭窄を行うことによって、活性層の一部領域のみに電流を注入する窒化物系半導体レーザが提案されている。図２０は、従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【００１０】
図２０を参照して、従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、サファイア基板１０１上に形成される窒化物系半導体各層１０２〜１０９およびｎ側電極１１３は、図１９に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子と同様の膜厚および組成を有する。そして、ｐ型光ガイド層１０９上には、突出部を有するｐ型クラッド層１２０が形成されている。ｐ型クラッド層１２０の突出部上には、ｐ型コンタクト層１２１が形成されている。このｐ型コンタクト層１２１とｐ型クラッド層１２０の突出部とによってストライプ状のリッジ部１２８が構成されている。また、リッジ部１２８の側面上およびｐ型クラッド層１２０の露出している領域には、絶縁膜１２３が形成されている。また、リッジ部１２８を構成するｐ型コンタクト層１２１上には、ｐ側電極１２２が形成されている。
【００１１】
図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、リッジ部１２８を形成することにより、ｐ側電極１２２からの電流狭窄を行うことによって、活性層１０７の一部領域のみに電流を注入する。これにより、活性層１０７に注入される電流密度を高くすることができるので、しきい値電流の低減を図ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図２１は、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。図２２は、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。図２１および図２２を参照して、以下に、図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の問題点について説明する。図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子では、図２１に示すように、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８とＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９とのバンドギャップ差が大きくなる。このため、図２１中の右側から左側に注入される正孔１８１が、活性層１０７に注入されにくいという不都合があった。
【００１３】
また、３元混晶のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型キャップ層１０８は、バンドギャップが大きいので、ドープされたｐ型不純物がキャリアを発生する率（ｐ型活性化率）が低く、かつ、合金散乱の影響によってキャリアの移動度が低くなる。このため、ｐ型キャップ層１０８は、抵抗が高くなりやすい。その一方、２元混晶のｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０９は、バンドギャップが小さいので、キャリアの移動度が高くなる。このため、ｐ型光ガイド層１０９は、抵抗が低くなりやすい。
【００１４】
これにより、図２２に示すように、ｐ側電極１２２からの注入電流１８０は、ｐ型光ガイド層１０９からｐ型キャップ層１０８に流れる際に、抵抗の高いｐ型キャップ層１０８によって堰き止められるので、注入電流１８０が抵抗の低いｐ型光ガイド層１０９内において横方向に広がるという不都合があった。このため、ｐ型光ガイド層１０９の下方に形成されている活性層１０７には、横方向に広がった状態で電流１８０が注入されるので、活性層１０７内において電流密度を高くするのが困難であった。その結果、活性層１０７内において電流密度が低くなるので、しきい値電流が増加するという問題点があった。また、横方向に広がった注入電流１８０は、レーザ光の発生に寄与しないので、発光効率が低下するという問題点もあった。
【００１５】
また、図２１に示したように、ｐ型キャップ層１０８とｐ型光ガイド層１０９とのバンドギャップ差が大きいので、ｐ型キャップ層１０８とｐ型光ガイド層１０９との界面で正孔１８１が捕獲されやすくなる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上させることが困難であり、その結果、高速動作が困難であるという問題点もあった。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、しきい値電流を低減し、かつ、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【００１７】
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体レーザ素子おいて、パルス駆動による高速動作を可能にすることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、電流狭窄を行うことによって、活性層の一部領域のみに電流を注入する窒化物系半導体レーザ素子であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる量子井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる量子障壁層（ただし、ｘ＞ｙ）とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の第１の主面側に形成された第１キャリアブロック層と、前記第１キャリアブロック層の表面上に形成され、前記第１キャリアブロック層よりも小さいバンドギャップを有するとともに、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層の表面上に形成された第１導電型の第１クラッド層とを備えている。
【００１９】
この一の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによって、Ａｌを含有する窒化物系半導体層はドーパントの活性化率が低いので、第１光ガイド層の抵抗が高くなる。これにより、第１光ガイド層において横方向に電流が広がるのを抑制することができるので、活性層に注入される電流密度を高めることができる。その結果、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電流を低減することができるので、発光効率を向上させることができる。また、第１キャリアブロック層のバンドギャップは、第１光ガイド層よりも大きいので、第１キャリアブロック層により活性層から第１導電型の第１クラッド層へ電子が漏れるのを抑制することができる。これにより、電子の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００２０】
上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャリアブロック層は、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む。このように構成すれば、第１キャリアブロック層と、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、容易に活性層へ正孔を注入することができる。これにより、第１光ガイド層において横方向に電流が広がるのをより抑制することができるので、活性層に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。また、第１キャリアブロック層と第１光ガイド層とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、第１キャリアブロック層と第１光ガイド層との界面で正孔が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００２１】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層の第２の主面側に形成され、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第２光ガイド層をさらに備える。このように構成すれば、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第２光ガイド層の抵抗が高くなるので、第２ガイド層において電子の流れが横方向に広がるのを抑制することができる。これにより、電子の流れの横方向の広がりに起因するしきい値電流の増大や発光効率の低下を抑制することができる。
【００２２】
この場合、第２光ガイド層と活性層との間に形成され、第２光ガイド層よりも大きいバンドギャップを有する第２キャリアブロック層をさらに備えるのが好ましい。このように構成すれば、第２キャリアブロック層により活性層から第２導電型のクラッド層へ正孔が漏れるのを抑制することができる。これにより、正孔の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００２３】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第２光ガイド層は、アンドープの第２光ガイド層を含む。このように構成すれば、第２光ガイド層の抵抗がより高くなるので、第２ガイド層において電子の流れが横方向に広がるのをより抑制することができる。これにより、電子の流れの横方向の広がりに起因するしきい値電流の増大や発光効率の低下を抑制することができる。また、アンドープの第２光ガイド層を用いれば、第２光ガイド層にドープされた不純物が活性層に拡散することに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。これにより、素子の長寿命化を図ることができる。
【００２４】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、第１クラッド層の電流通過領域以外の領域の少なくとも一部に、不純物元素をイオン注入することにより形成されたイオン注入層をさらに備える。このように構成すれば、イオン注入された不純物元素とイオン注入による結晶欠陥とが第１クラッド層の下に位置する第１光ガイド層に微量に含まれるので、第１光ガイド層における電流の横方向の広がりをより低減することができる。
【００２５】
なお、上記一の局面による窒化物系半導体レーザ素子において、基板はＧａＮ基板でもよい。このように構成すれば、ＧａＮ基板上に形成される窒化物系半導体各層の転位密度が低くなるので、高品質な結晶を得ることができる。このような高品質な結晶によって、たとえば、ＧａＮからなる光ガイド層を形成すると、キャリア（正孔や電子）の横方向の広がりが大きくなりやすい。この場合には、上記したＡｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによる電流の横方向の広がりを抑制する効果がより大きくなる。また、高品質な結晶によりＧａＮからなる光ガイド層を形成すると、第１光ガイド層と第１キャリアブロック層との界面でのキャリア（正孔や電子）がより捕獲されやすくなる。この場合、上記したＡｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層を設けることによる第１光ガイド層と第１キャリアブロック層との界面での正孔の捕獲を抑制する効果がより大きくなる。その結果、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上させる効果がより大きくなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図３は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。図４は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。まず、図１〜図４を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００２８】
第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１および図２に示すように、導電性のｎ型ＧａＮ基板１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型層２が形成されている。ｎ型層２上には、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上には、多層膜構造からなる発光層４が形成されている。
【００２９】
この発光層４は、図２に示すように、ｎ型光ガイド層４１と、ｎ型光ガイド層４１上に形成されたＭＱＷ活性層４２と、ＭＱＷ活性層４２上に形成されたｐ型キャリアブロック層４３と、ｐ型キャリアブロック層４３上に形成されたｐ型光ガイド層４４とを含んでいる。第１実施形態によるｎ型光ガイド層４１は、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる。ＭＱＷ活性層４２は、約３．５ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層４２ａと、約２０ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層４２ｂとが交互に積層された構造を有する。ここで、ｘ＞ｙであり、第１実施形態においては、ｘ＝０．１５、ｙ＝０．０５である。なお、ｎ型光ガイド層４１は、本発明の「第２光ガイド層」の一例であり、ＭＱＷ活性層４２は、本発明の「活性層」の一例である。
【００３０】
ここで、第１実施形態では、ｐ型キャリアブロック層４３は、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる。また、ｐ型光ガイド層４４は、約０．１μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる。また、ｐ型光ガイド層４４は、ｐ型キャリアブロック層４３よりも小さいバンドギャップを有する。なお、ｐ型キャリアブロック層４３は、本発明の「第１キャリアブロック層」の一例であり、ｐ型光ガイド層４４は、本発明の「第１光ガイド層」の一例である。
【００３１】
また、発光層４上には、図１に示すように、突出部を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層５が形成されている。このｐ型クラッド層５の突出部の膜厚は、約０．２８μｍであり、突出部以外の領域の膜厚は、約０．０５μｍである。また、突出部の幅は、約１．６μｍである。なお、ｐ型クラッド層５は、本発明の「第１クラッド層」の一例である。そして、ｐ型クラッド層５の突出部上には、約０．０７μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型第１コンタクト層６と、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型第２コンタクト層７とが順次形成されている。そして、ｐ型クラッド層５の突出部と、ｐ型第１コンタクト層６と、ｐ型第２コンタクト層７とによって、リッジ部８が構成されている。このリッジ部８の側面上とｐ型クラッド層５の露出している領域上とに、ＳｉＯ2からなる電流ブロック層９が形成されている。
【００３２】
また、リッジ部８を構成するｐ型コンタクト層７上には、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極１０が、ストライプ状（細長状）に形成されている。そして、ｐ側オーミック電極１０の上面および側面上と、電流ブロック層９上とには、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１１が形成されている。
【００３３】
また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１２が形成されている。ｎ側オーミック電極１２の裏面上には、ｎ側オーミック電極１２の裏面に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１３が形成されている。
【００３４】
第１実施形態では、上記のように、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を設けることによって、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４は、ｐ型ドーパントの活性化率が低く、かつ、合金散乱の影響によりキャリアの移動度が小さいので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗が高くなる。これにより、図３に示すように、ｐ型光ガイド層４４から抵抗の高いｐ型キャリアブロック層４３へ電流が流れる場合に、ｐ型光ガイド層４４の抵抗が高いので、ｐ型光ガイド層４４において電流８０が横方向に広がるのを抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電流を低減することができるので、発光効率を向上させることができる。また、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３のバンドギャップは、ｐ型光ガイド層４４よりも大きいので、ｐ型キャリアブロック層４３によってＭＱＷ活性層４２からｐ型クラッド層５への電子の漏れが抑制される。これにより、電子の閉じ込め特性を向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を設けることによって、図４に示すように、ｐ型光ガイド層４４と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とのバンドギャップ差を従来（図２１参照）に比べて小さくすることができる。これにより、図４中の右側から左側へ注入される正孔８１を、容易に、ＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、これによってもＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができる。また、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差が小さくなることによって、ｐ型キャリアブロック層４３をトンネルするトンネル電流が指数関数的に増加する。これにより、より容易に、正孔８１をＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、図４に示したように、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４との界面において、図２１に示した従来の場合と異なり、深いポテンシャルバリアが形成されるのを抑制することができる。このため、ｐ型キャリアブロック層４３とｐ型光ガイド層４４との界面で正孔８１（図４参照）が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００３７】
図５〜図１０は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１、図２および図５〜図１０を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００３８】
まず、図５に示すように、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型層２、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層３および多層膜構造からなる発光層４を順次形成する。
【００３９】
この発光層４を形成する際には、図２に示したように、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１上に、約３．５ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎxＧａ1-xＮからなる量子井戸層４２ａと、約２０ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎyＧａ1-yＮからなる量子障壁層４２ｂとを交互に積層することによって、ＭＱＷ活性層４２を形成する。そして、ＭＱＷ活性層４２上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３、および、約０．１μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を順次形成する。
【００４０】
次に、発光層４上に、図５に示すように、約０．２８μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層５、約０．０７μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型第１コンタクト層６、および、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型第２コンタクト層７を順次形成する。
【００４１】
次に、図６に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上のほぼ全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜１４を形成する。そして、ＳｉＯ2膜１４上に、フォトレジスト１５を塗布した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、約１．６μｍの幅を有するストライプ状のフォトレジスト１５を形成する。そして、ＣＦ4ガスによるＲＩＥ法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて、フォトレジスト１５をマスクとして、ＳｉＯ2膜１４をエッチングする。これにより、図７に示すように、約１．６μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜１４が形成される。この後、フォトレジスト１５を除去する。
【００４２】
次に、図８に示すように、Ｃｌ2ガスによるＲＩＥ法を用いて、ＳｉＯ2膜１４をマスクとして、ｐ型第２コンタクト層７からｐ型クラッド層５の一部をエッチング除去することにより、リッジ部８が形成される。このとき、ｐ型クラッド層５の突出部以外の領域の膜厚が、約０．０５μｍとなるようにエッチング深さを制御する。この後、ＨＦ系エッチャントを用いて、ＳｉＯ2膜１４を除去する。
【００４３】
次に、図９に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィー技術およびＣＦ4ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７の上面が露出するようにＳｉＯ2膜を除去することによって、ＳｉＯ2膜からなる電流ブロック層９が形成される。
【００４４】
次に、図１０に示すように、真空蒸着法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上に、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極１０を、ストライプ状（細長状）に形成する。そして、ｐ側オーミック電極１０の上面および側面上と、電流ブロック層９上とに、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１１を形成する。
【００４５】
最後に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研磨することによって、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の膜厚（たとえば、約１００μｍ）にする。この後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１２を形成する。そして、ｎ側オーミック電極１２の裏面上に、ｎ側オーミック電極１２の裏面に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１３を形成する。このようにして、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００４６】
（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１１を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態のリッジ部を形成することにより電流狭窄を行う場合と異なり、イオン注入層３２を形成することにより電流狭窄を行う例について説明する。
【００４７】
この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する窒化物系半導体各層（ｎ型層２、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７）が順次形成されている。
【００４８】
そして、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７には、炭素（Ｃ）がイオン注入されることにより形成された約０．３２μｍの注入深さを有するイオン注入層３２が設けられている。なお、炭素（Ｃ）は、本発明の「不純物元素」の一例である。この場合、イオン注入された炭素濃度のピーク深さは、ｐ型第２コンタクト層７の上面から約０．２３μｍのｐ型クラッド層５の領域内に位置する。また、このピーク深さにおけるピーク濃度は、約１．０×１０20ｃｍ-3である。この場合、イオン注入層３２は、多量のイオンが半導体中に注入されることによって、他の領域よりも結晶欠陥を多く含んでいる。なお、電流通路部２８となるイオン注入されていない領域（非注入領域）は、約２．１μｍの幅で形成されている。なお、第２実施形態では、Ｒｐ＋ΔＲｐを注入深さ（イオン注入層３２の厚み）と定義した。Ｒｐはピーク深さであり、ΔＲｐは飛程の標準偏差である。また、後述する製造プロセスにおけるイオン注入時において、イオン注入マスク層３４の下部に、イオンの横方向への広がり（ΔＲｌ）が生じる。このとき、イオン注入時のイオン注入マスク層３４の幅をＷとすると、イオン注入マスク層３４の下部のイオンが注入されない領域の幅Ｂは、Ｂ＝Ｗ−２×ΔＲｌとなる。
【００４９】
また、イオン注入層３２は、イオン注入層３２に多く含まれる結晶欠陥により高抵抗となるので電流狭窄層として機能するとともに、結晶欠陥に起因した光吸収が起こるので光吸収層としても機能する。なお、イオン注入層３２において、電流狭窄だけでなく光の横方向の閉じ込めも十分に行うには、イオン注入された炭素の不純物濃度の極大値が約５×１０19ｃｍ-3以上であることが好ましい。これにより、イオン注入層３２は、電流通過部２８よりも結晶欠陥が多くなるので、この多く含まれる結晶欠陥により光吸収を行うことができる。その結果、発光層４内において、横方向の光閉じ込めを行うことができるので、横モードの安定化を図ることができる。
【００５０】
また、ｐ型第２コンタクト層７上には、開口部３３ａを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３が形成されている。この開口部３３ａの幅は、電流通路部２８の幅よりも狭く形成されている。絶縁膜３３上には、絶縁膜３３の開口部３３ａを介して、ｐ型第２コンタクト層７の上面に接触するとともに、絶縁膜３３の上面上に延びるように、ｐ側オーミック電極３０が形成されている。ｐ側オーミック電極３０は、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなる。ｐ側オーミック電極３０上には、ｐ側パッド電極３１が形成されている。ｐ側パッド電極３１は、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３が形成されている。
【００５１】
第２実施形態では、炭素をイオン注入することによって、炭素イオンと、イオン注入による結晶欠陥とがｐ型クラッド層５の下に位置するｐ型光ガイド層４４（図２参照）に微量に含まれる。これにより、ｐ型光ガイド層４４の抵抗がより高くなるので、第１実施形態に比べて、ｐ型光ガイド層４４における電流の横方向の広がりをより低減することができる。
【００５２】
なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００５３】
図１２〜図１５は、図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１１〜図１５を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００５４】
まず、図１２に示すように、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型層２からｐ型第２コンタクト層７までを順次形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７上の全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ2膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2膜を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって、約２．２μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ2膜からなるイオン注入マスク層３４を形成する。そして、イオン注入マスク層３４およびｐ型第２コンタクト層７を覆うように、ＳｉＯ2膜からなるスルー膜３５を形成する。
【００５５】
そして、図１３に示すように、イオン注入マスク層３４をマスクとして、スルー膜３５を介して、炭素のイオン注入を行うことによって、イオン注入層３２を形成する。その後、ＣＦ4ガスによるドライエッチングを用いて、スルー膜３５を除去する。
【００５６】
次に、図１４に示すように、ＥＢ蒸着法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７およびイオン注入マスク層３４の全面を覆うように、約５０ｎｍの厚みを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３を素子の垂直方向から蒸着する。これにより、イオン注入マスク層３４の側壁部には、絶縁膜３３はほとんど形成されない。
【００５７】
次に、図１５に示すように、フッ酸系エッチャントによるエッチングを行うことによって、イオン注入マスク層３４と絶縁膜３３の一部とを除去する。この場合、絶縁膜３３は、ほとんどエッチングされないので、イオン注入マスク層３４の側壁部に位置する絶縁膜３３のみが完全に除去される。そして、イオン注入マスク層３４は、イオン注入マスク層３４の側壁部に位置する絶縁膜３３が除去された後、完全に除去される。その結果、電流通路部２８の上面上に、開口部３３ａを有するＺｒＯ2からなる絶縁膜３３が形成される。
【００５８】
最後に、絶縁膜３３上に、開口部３３ａを介してｐ型第２コンタクト層７の上面に接触するように、ｐ側オーミック電極３０およびｐ側パッド電極３１を順次形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の膜厚に研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、ｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３を形成する。このようにして、図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００５９】
（第３実施形態）
図１６は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図１６を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態と異なり、発光層４ａ内において、ｎ型光ガイド層４１とＭＱＷ活性層４２との間に、ｎ型キャリアブロック層４５を設けた例について説明する。なお、第３実施形態のその他の構造および製造プロセスは、第１実施形態と同様である。
【００６０】
すなわち、第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１６に示すように、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５が形成されている。このｎ型キャリアブロック層４５は、ｎ型光ガイド層４１よりも大きいバンドギャップを有する。なお、ｎ型キャリアブロック層４５は、本発明の「第２キャリアブロック層」の一例である。そして、ｎ型キャリアブロック層４５上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するＭＱＷ活性層４２、ｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型光ガイド層４４が順次形成されている。上記窒化物系半導体各層（４１〜４５）によって、第３実施形態による発光層４ａが構成される。
【００６１】
第３実施形態では、上記のように、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５を設けることによって、ＭＱＷ活性層４２からｎ型クラッド層３への正孔の漏れを抑制することができる。特に、第３実施形態では、ＭＱＷ活性層４２を挟むように、ｎ型キャリアブロック層４５およびｐ型キャリアブロック層４３を配置することによって、第１実施形態に比べて、ＭＱＷ活性層４２からのキャリア（正孔や電子）の漏れをより抑制することができる。これにより、キャリア（正孔や電子）の閉じ込め特性をより向上させることができるので、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのをより抑制することができる。その結果、素子の温度特性をより向上させることができる。
【００６２】
また、第３実施形態では、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５下に、ｎ型ドーパントの活性化率が低く、かつ、合金散乱の影響でキャリアの移動度が小さいｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１が形成されているので、ｎ型光ガイド層４１の抵抗が高くなる。これにより、ｎ型光ガイド層４１から抵抗の高いｎ型キャリアブロック層４５へ電子が流れる場合に、ｎ型光ガイド層４１の抵抗が高いので、ｎ型光ガイド層４１において電子の流れが横方向に広がるのを抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、発光に寄与しない横方向に広がる電子の流れを低減することができるので、発光効率を向上させることができる。
【００６３】
また、第３実施形態では、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５と、ｎ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｎ型光ガイド層４１とを発光層４の一部に用いるので、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差を小さくすることができる。これにより、容易に、ＭＱＷ活性層４２へ電子を注入することができるので、これによってもＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができる。また、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差が小さくなることによって、ｎ型キャリアブロック層４５をトンネルするトンネル電流が指数関数的に増加する。これにより、より容易に、電子をＭＱＷ活性層４２へ注入することができるので、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度をより高めることができる。その結果、しきい値電流をより低減することができる。
【００６４】
また、第３実施形態では、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１とのバンドギャップ差を小さくすることができるので、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１との界面において、深いポテンシャルバリアが形成されるのを抑制することができる。このため、ｎ型キャリアブロック層４５とｎ型光ガイド層４１との界面で電子が捕獲されるのを抑制することができる。これにより、素子をパルス駆動したときの光の立ち上がりおよび立ち下がり特性を向上することができるので、高速動作が可能となる。
【００６５】
また、第３実施形態では、発光層４において、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型光ガイド層４４を設けているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図１７を参照して、この第４実施形態では、導電性のｎ型ＧａＮ基板を用いた上記第１〜第３実施形態と異なり、絶縁性のサファイア基板５１を用いる場合の例について説明する。
【００６７】
この第４実施形態よる窒化物系半導体レーザ素子では、図１７に示すように、サファイア基板５１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌＮからなるバッファ層５２ａを介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型コンタクト層５２ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層５２ｂ上には、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する各層（ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６、ｐ型第２コンタクト層７、電流ブロック層９、ｐ側オーミック電極１０およびｐ側パッド電極１１）が形成されている。そして、ｎ型コンタクト層５２ｂの一部領域がエッチング技術により除去されている。このｎ型コンタクト層５２ｂの除去されて露出している領域上には、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３が順次形成されている。
【００６８】
第４実施形態では、上記のように、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する発光層４を設けることによって、抵抗の高いｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４によりｐ型光ガイド層４４において横方向に電流が広がるのを抑制することができるとともに、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３とｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４とのバンドギャップ差を小さくすることができる。これにより、ＭＱＷ活性層４２に注入される電流密度を高めることができるので、しきい値電流を低減することができる。また、ｐ型光ガイド層４４よりも大きいバンドギャップを有するｐ型キャリアブロック層４３によりＭＱＷ活性層４２からｐ型クラッド層５への電子の漏れが抑制されるので、素子の温度特性が向上する。
【００６９】
ただし、この第４実施形態では、基板としてサファイア基板５１を用いるので、ｎ型ＧａＮ基板１を用いる第１実施形態に比べて、より多くの転位などの結晶欠陥が窒化物系半導体各層（５２ａ、５２ｂおよび３〜７）に含まれる。このため、サファイア基板５１を用いる第４実施形態では、キャリア（正孔や電子）が散乱して移動度が低下しやすくなるので、ｐ型光ガイド層４４での電流の横方向の広がりが比較的小さくなりやすい。このため、第４実施形態では、第１実施形態に比べて、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４を用いることによるｐ型光ガイド層４４での横方向への電流の広がりを抑制する効果は小さくなる。
【００７０】
なお、第４実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００７１】
図１８は、図１７に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１７および図１８を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明する。
【００７２】
まず、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、サファイア基板５１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌＮからなるバッファ層５２ａを介して、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型コンタクト層５２ｂを形成する。そして、ｎ型コンタクト層５２ｂ上に、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型第１コンタクト層６およびｐ型第２コンタクト層７を順次形成する。次に、図１８に示すように、Ｃｌ2ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型第２コンタクト層７からｎ型コンタクト層５２ｂまでの一部領域を除去する。そして、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、図１７に示すようなリッジ部８を形成した後、電流ブロック層９、ｐ側オーミック電極１０およびｐ側パッド電極１１を順次形成する。最後に、ｎ型コンタクト層５２ｂの露出された領域上に、ｎ側オーミック電極１２およびｎ側パッド電極１３を順次形成する。このようにして、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００７３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７４】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、約２０ｎｍの膜厚を有するｐ型キャリアブロック層４３を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、膜厚をより薄くしてもよい。たとえば、約１０ｎｍの膜厚を有するキャリアブロック層を用いてもよい。この場合、キャリアブロック層をトンネルする正孔が増加するので、ＭＱＷ活性層に注入される電流の密度をより高めることができる。これにより、しきい値電流をより低減することができる。
【００７５】
また、上記第１〜第４実施形態では、Ｓｉがドープされたｎ型光ガイド層４１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、アンドープのｎ型光ガイド層を用いてもよい。この場合、ｎ型光ガイド層４１にドープされたＳｉがＭＱＷ活性層４２に拡散することに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。これにより、素子の長寿命化を図ることができる。また、Ｍｇがドープされたｐ型光ガイド層４４をアンドープにすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、上記第１〜第４実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板１またはサファイア基板５１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＺｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＭｇＯおよびＭｎＯなどの酸化物、ＺｒＢ2などのホウ化物、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＳｉＣなどからなる基板を用いてもよい。
【００７７】
たとえば、ＧａＮ基板、または、窒化物系半導体との格子不整合が小さく、かつ、熱膨張係数差が小さいＺｒＢ2などのホウ化物からなる基板上に、窒化物系半導体各層を形成する場合、各層中の転位などの結晶欠陥が少なくなるので、高品質な結晶を有する光ガイド層およびキャリアブロック層などの窒化物系半導体各層を得ることができる。この場合、結晶欠陥の少ない光ガイド層では、キャリア（正孔および電子）の横方向の広がりがより大きくなりやすいとともに、結晶欠陥の少ない光ガイド層とキャリアブロック層との界面では、キャリア（正孔および電子）がより捕獲されやすくなる。したがって、ＧａＮ基板、または、ホウ化物からなる基板上に、ｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ型光ガイド層４４およびｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３を設ける場合には、ｐ型光ガイド層４４およびｐ型キャリアブロック層４３による電流の横方向の広がりを抑制する効果およびｐ型光ガイド層４４とｐ型キャリアブロック層４３との界面での正孔の捕獲を抑制する効果がより大きくなる。
【００７８】
また、上記第１〜第３実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物系半導体各層、活性層およびｐ型窒化物系半導体各層を順次形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、ｐ型基板上に、ｐ型窒化物系半導体各層、活性層およびｎ型窒化物系半導体各層を順次形成するようにしてもよい。
【００７９】
また、上記第１、第３および第４実施形態では、リッジ型の窒化物系半導体レーザ素子の例について説明したが、本発明はこれに限らず、セルフアライン型にも適用可能である。
【００８０】
また、上記第１、第３および第４実施形態では、ＳｉＯ2（絶縁膜）からなる電流ブロック層９を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、他の材料からなる電流ブロック層を形成してもよい。たとえば、リッジ部を構成する窒化物系半導体と逆の導電型を有する窒化物系半導体、または、高抵抗を有する窒化物系半導体からなる電流ブロック層を形成してもよい。
【００８１】
また、上記第２実施形態では、炭素をイオン注入することによりイオン注入層３２を形成したが、本発明はこれに限らず、他の不純物をイオン注入してもよい。たとえば、シリコンなどの４族元素、亜鉛およびマグネシウムなどの２族元素、ホウ素、Ａｌ、ＧａおよびＩｎなどの３族元素、窒素、リン、ＡｓおよびＳｂなどの５族元素、または、酸素、イオウおよびＳｅなどの６族元素のいずれかをイオン注入してもよい。この場合、ｐ型光ガイド層４４において正孔の横方向の広がりを抑制するためには、窒化物系半導体に含まれることにより逆の導電型（ｎ型）になる不純物をイオン注入するのが好ましい。このような不純物をｐ型光ガイド層４４に微量に含ませることにより、ｐ型光ガイド層４４の正孔を補償することができるので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗をより高めることができる。たとえば、炭素およびシリコンなどの４族元素、または、酸素、イオウおよびＳｅなどの６族元素のいずれかが好ましい。また、窒化物系半導体の窒素空孔は、ｎ型伝導となるので、ｐ型光ガイド層４４の抵抗を高める（正孔を補償する）ためには、ホウ素、Ａｌ、ＧａおよびＩｎなどの３族元素をイオン注入することによって、窒素空孔を増加させるのがより好ましい。
【００８２】
また、ｎ型光ガイド層４１において電子の横方向の広がりを抑制するためには、窒化物系半導体に含まれることにより逆の導電型（ｐ型）になる不純物をイオン注入するのが好ましい。たとえば、亜鉛およびマグネシウムなどの２族元素、または、窒素、リン、ＡｓおよびＳｂなどの５族元素のいずれかが好ましい。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、しきい値電流を低減し、かつ、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。
【図５】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１２】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】図１１に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１８】図１７に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１９】従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２０】従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２１】図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の活性層の最上層からｐ型クラッド層までのバンドダイヤグラムを示した図である。
【図２２】図２０に示した従来の提案された窒化物系半導体レーザ素子の注入電流の広がり状態を説明するためのリッジ部近傍の拡大図である。
【符号の説明】
５ ｐ型クラッド層（第１クラッド層）
４２ ＭＱＷ活性層（活性層）
４３ ｐ型キャリアブロック層（第１キャリアブロック層）
４４ ｐ型光ガイド層（第１光ガイド層）
Claims (6)
- 電流狭窄を行うことによって、活性層の一部領域のみに電流を注入する窒化物系半導体レーザ素子であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる量子井戸層とＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる量子障壁層（ただし、ｘ＞ｙ）とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の第１の主面側に形成された第１キャリアブロック層と、前記第１キャリアブロック層の表面上に形成され、前記第１キャリアブロック層よりも小さいバンドギャップを有するとともに、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層の表面上に形成された第１導電型の第１クラッド層とを備えた、窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記第１キャリアブロック層は、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む、請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記活性層の第２の主面側に形成され、Ａｌを含有する窒化物系半導体層を含む第２光ガイド層をさらに備える、請求項１または２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記第２光ガイド層と前記活性層との間に形成され、前記第２光ガイド層よりも大きいバンドギャップを有する第２キャリアブロック層をさらに備える、請求項３に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記第２光ガイド層は、アンドープの第２光ガイド層を含む、請求項３または４に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記第１クラッド層の電流通過領域以外の領域の少なくとも一部に、不純物元素をイオン注入することにより形成されたイオン注入層をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
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