JP4193867B2 - ＧａＮ系半導体レーザの製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体レーザ、半導体レーザの製造方法、光ピックアップおよび光ディスク装置に関し、特に、例えば窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたセルフパルセーション（自励発振）型半導体レーザおよびこれを光源に用いる光ディスク装置に適用して好適なものである。
高密度光ディスクシステムでは、光源として波長４００ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザが用いられている。この場合、このＧａＮ系半導体レーザの戻り光雑音を低減する必要があり、この方策の１つとして、セルフパルセーション動作を起こさせる手法がある。
このようなセルフパルセーション動作を実現するために、可飽和吸収層を光導波層（ガイド層）やクラッド層に設け、この可飽和吸収層にドーピングを行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、本方式に対しては、温度に対するセルフパルセーション動作の不安定性が課題として指摘されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、可飽和吸収層の厚さ、光閉じ込め係数、活性層と可飽和吸収層との距離などの選定や、活性層と可飽和吸収層との間へのワイドギャップ半導体の挿入によりセルフパルセーション動作を可能とすることが提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。しかし、これらの条件を用いても、セルフパルセーション動作する半導体レーザを安定に得ることはできない。例えば、可飽和吸収層とｐ型ＡｌＧａＮ層との間にｐ型ＧａＮ層を導入しただけでセルフパルセーション動作をしなくなったことが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１では、ｐ型ＡｌＧａＮ層と可飽和吸収層との界面におけるキャリアの再結合の促進とピエゾ効果によるキャリアのトンネルとが可飽和吸収層のキャリア寿命時間を実効的に短くし、セルフパルセーション動作に寄与していると結論づけている。いずれにしても、このような不安定性は、セルフパルセーション動作をするＧａＮ系半導体レーザの量産を行う際に大きな課題となる。
特開平９−１９１１６０号公報 特開２００３−３１８９８号公報 特開２００３−２１８４５８号公報 Appl. Phys. Lett. 83, 1098(2003)
上述のように、これまでは、安定なセルフパルセーション動作が可能なＧａＮ系半導体レーザを得ることは困難であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを容易に得ることが可能な半導体レーザおよびこのような半導体レーザを容易に製造することが可能な半導体レーザの製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の、各種の半導体を用いた半導体レーザを容易に得ることが可能な半導体レーザおよびこのような半導体レーザを容易に製造することが可能な半導体レーザの製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、これらの半導体レーザを光源に用いた光ピックアップおよび光ディスク装置を提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、この発明を案出するに至った。その概要を説明すると次のとおりである。
非特許文献１において、セルフパルセーション動作が不安定になっている理由は、可飽和吸収層のキャリア寿命時間の低減が不十分であることによる。従って、上記の課題を解決するためには、可飽和吸収層におけるキャリア寿命時間を実効的に短くすることが必要である。キャリア寿命時間を短くするには、キャリア再結合過程を増やすことが重要であるが、本発明者は、このためにドライエッチングによるダメージを可飽和吸収層に積極的に導入することが最も有効かつ簡便であると考え、実験的に最適条件を見出した。具体的には、活性層とクラッド層との間に可飽和吸収層を設ける半導体レーザにおいて、横モード制御のために、クラッド層側からドライエッチングを行うことにより溝を形成してリッジストライプを形成する場合、その溝の底面から活性層の上面までの距離を１０５ｎｍ以上、かつ、溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離を１００ｎｍ以下とすることにより、平均故障寿命（mean time to failure，ＭＴＴＦ）が最大となり、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の半導体レーザを実現することができることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
第１の導電型の第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上の活性層と、
上記活性層上の可飽和吸収層と、
上記可飽和吸収層上の第２の導電型の第２のクラッド層とを有し、
少なくとも上記第２のクラッド層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝が形成されてその間にリッジストライプが形成されている半導体レーザにおいて、
上記溝の底面から上記活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、上記溝の底面から上記可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下である
ことを特徴とするものである。
第２の発明は、
第１の導電型の第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上の活性層と、
上記活性層上の可飽和吸収層と、
上記可飽和吸収層上の第２の導電型の第２のクラッド層とを有し、
少なくとも上記第２のクラッド層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝が形成されてその間にリッジストライプが形成されている半導体レーザの製造方法において、
上記第１のクラッド層、上記活性層、上記可飽和吸収層および上記第２のクラッド層を成長させた後、少なくとも上記第２のクラッド層をドライエッチングすることにより上記溝を形成し、この際、上記溝の底面から上記活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、上記溝の底面から上記可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下となるようにする
ことを特徴とするものである。
第３の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ピックアップにおいて、
上記半導体レーザとして、
第１の導電型の第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上の活性層と、
上記活性層上の可飽和吸収層と、
上記可飽和吸収層上の第２の導電型の第２のクラッド層とを有し、
少なくとも上記第２のクラッド層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝が形成されてその間にリッジストライプが形成されている半導体レーザにおいて、
上記溝の底面から上記活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、上記溝の底面から上記可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下であるものを用いた
ことを特徴とするものである。
第４の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
上記半導体レーザとして、
第１の導電型の第１のクラッド層と、
上記第１のクラッド層上の活性層と、
上記活性層上の可飽和吸収層と、
上記可飽和吸収層上の第２の導電型の第２のクラッド層とを有し、
上記第２のクラッド層および上記コンタクト層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝が形成されてその間にリッジストライプが形成されている半導体レーザにおいて、
上記溝の底面から上記活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、上記溝の底面から上記可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下であるものを用いた
ことを特徴とするものである。
第１〜第４の発明において、溝の底面から活性層の上面までの距離および溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離は、溝の底面の一点を原点として活性層に向かう方向を正方向とする座標系を取った場合の距離である。溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離は１００ｎｍ以下であるが、この距離は正または０の場合（０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）だけでなく、負の場合もある。この距離が負の場合には、溝の底面が可飽和吸収層の上面と下面との間に位置している場合（下面上に位置している場合を含むものとする）と、溝の底面が可飽和吸収層の下面よりも深く、活性層の上面よりも浅い所に位置している場合とがある。
典型的には、溝の底面および／または側面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じている。この損傷の発生原因は問わないが、この損傷は、典型的には、この溝を少なくとも第２のクラッド層をドライエッチングすることにより形成した場合に発生するエッチングダメージである。溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下０ｎｍ以上の場合には、もっぱら溝の底面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じており、溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離が０ｎｍよりも小さい場合、言い換えると溝の底面が可飽和吸収層の上面と下面との間に位置している場合または溝の底面が可飽和吸収層の下面よりも深く、活性層の上面よりも浅い所に位置している場合には、溝の底面および側面下部の近傍または溝の側面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じている。
可飽和吸収層には必要に応じて不純物がドーピング（一般的には高濃度ドーピング）され、非発光再結合中心が形成される。
第１のクラッド層、活性層、可飽和吸収層および第２のクラッド層における隣接する層同士は直接接触していてもよいし、それらの間に他の何らかの機能を有する層が１層または２層以上介在していてもよい。例えば、第１のクラッド層と活性層との間に第１の光導波層が設けられ、第２のクラッド層と活性層との間に第２の光導波層が設けられていてもよい。また、キャリア寿命時間を短くするには、キャリア再結合過程を増やすことに加えて、光吸収で発生するキャリア以外のキャリアの活性層への注入を抑制することが重要であるが、このためには、活性層と第２のクラッド層との間に、第１のクラッド層側から活性層に注入されるキャリアが活性層を超えて第２のクラッド層側に移動するのを防止するための障壁層が設けられてもよい。この障壁層は、具体的には、例えば、活性層と可飽和吸収層との間に十分な障壁高さが得られる組成のアンドープ層およびｐ型層の２層を少なくとも含むように設けられる。この場合、アンドープ層は活性層側に、ｐ型層は可飽和吸収層側に設けられる。これらのアンドープ層およびｐ型層は、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザでは、ＡｌＧａＮやＡｌＧａＩｎＮなどのＡｌ組成やＩｎ組成などを変えることで容易に得ることができる。アンドープ層のバンドギャップエネルギーをＥg1、ｐ型層のバンドギャップエネルギーをＥg2とすると、好適にはＥg1＜Ｅg2とする。
好適には、リッジストライプの側面、溝の内部および溝の外側の部分の層上に絶縁膜が形成される。この絶縁膜は、電気絶縁性を有しあるいは十分に高抵抗の物質からなるものであれば、基本的にはどのような物質からなるものであってもよいが、半導体レーザの静電容量低減の観点からは、誘電率が低いものが好ましい。また、この絶縁膜は、単層構造であっても二層以上の多層構造であってもよい。この絶縁膜を二層構造とする場合、上層が発振波長の光に対する吸収係数が高いもの、例えばレーザ光の波長が青紫色の波長帯のときにはアンドープのＳｉ膜が好ましく、下層は例えばＳｉＯ2 膜などである。
第１のクラッド層、活性層、可飽和吸収層および第２のクラッド層は、典型的には、基板上にこれらの順にエピタキシャル成長により設けられる。この基板は、導電性基板、特に導電性半導体基板であっても、サファイア基板などの絶縁性基板であってもよい。半導体レーザは、典型的には窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものであるが、これに限定されるものではなく、第１の発明による半導体レーザと同様な構造を有する半導体レーザである限り、他の各種の半導体（ＺｎＯなどの酸化物半導体も含む）を用いたものであってもよい。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的には、ＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる。この場合の基板としては、導電性半導体基板、特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、最も典型的にはＧａＮ基板を用いることができる。導電性半導体基板を用いる場合、典型的には、第１の導電型側の電極がその裏面に形成される。第２の導電型側の電極は、典型的には、第２のクラッド層上に設けられるコンタクト層上に形成される。導電性半導体基板の裏面に第１の導電型側の電極を形成し、第２のクラッド層上に設けられるコンタクト層上に第２の導電型側の電極を溝の外側にまで広がった状態で形成する場合、好適には、リッジストライプの側面、溝の内部および溝の外側の部分のコンタクト層上に形成される絶縁膜のうち、溝の外側の部分のコンタクト層上の部分の厚さを十分に大きくする。このようにすることにより、溝の外側の部分における第１の導電型側の電極と第２の導電型側の電極との間隔をリッジストライプや溝の部分における間隔に比べて大きくすることができるので、これらの電極間の静電容量の低減を図ることができ、半導体レーザの高周波特性の向上を図ることができるとともに、静電リークや静電破壊を防止することができる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法を用いることができる。
光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および／または記録の方式も特に問わない。光ピックアップはこのような光ディスク装置に用いて好適なものである。
上述のように構成された第１〜第４の発明においては、通常、ドライエッチングによりリッジストライプの両側に形成される溝の底面から活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下であることにより、活性層を劣化させることなく、溝の底面および／または側面の近傍の可飽和吸収層に損傷を生じさせてキャリア寿命時間の低減を十分に行うことができる。
この発明によれば、溝の底面および／または側面の近傍の可飽和吸収層のキャリア寿命時間の低減を十分に行うことができることにより、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などの各種の半導体を用いた半導体レーザを容易に得ることが可能となる。そして、この半導体レーザを光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるセルフパルセーション型ＧａＮ系半導体レーザを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ（量子井戸層）／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層４、アンドープＩｎＧａＮ光導波層５、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ層の間にｐ型ＩｎＧａＮ層を挟んだ構造の可飽和吸収層８、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０が順次積層されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２およびｎ型ＧａＮ光導波層３には、ｎ型不純物として例えばＳｉがドーピングされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、可飽和吸収層８を構成するｐ型ＧａＮ層およびｐ型ＩｎＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９を構成するｐ型ＧａＮ層ならびにｐ型ＧａＮコンタクト層１０には、ｐ型不純物として例えばＭｇがドーピングされている。ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０には、一方向に直線状に延在してリッジストライプ１１が形成されている。このリッジストライプ１１の両側には溝１２、１３が形成されている。これらの溝１２、１３の外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１４が形成されている。また、リッジストライプ１１の側面、溝１２、１３およびその外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に延在してＳｉＯ2 膜１５およびその上のアンドープＳｉ膜１６が形成されている。リッジストライプ１１のｐ型ＧａＮコンタクト層１０に電気的にコンタクトしてｐ側電極１７が形成されている。このｐ側電極１７は溝１２、１３の外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に広がって形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面にｎ側電極１８が電気的にコンタクトして形成されている。
溝１２、１３の底面の一点を原点として活性層４に向かう方向を正方向とする座標系を取った場合の溝１２、１３の底面から活性層４の上面までの距離をｔ1 、溝１２、１３の底面から可飽和吸収層８の上面までの距離をｔ2 としたとき、ｔ1 ≧１０５ｎｍかつ０≦ｔ2 ≦１００ｎｍとなるように溝１２、１３の深さが設定されている。その理由については後述する。一般的にはｔ1 ＜０．６μｍであり、典型的にはｔ1 ＜２００ｎｍである。溝１２、１３の幅は一般的には２５０μｍ以下、より一般的には１００μｍ以下、典型的には２０μｍ以下である。
次に、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、ｎ型ＧａＮ基板１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、活性層４、アンドープＩｎＧａＮ光導波層５、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、可飽和吸収層８、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０を順次エピタキシャル成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、可飽和吸収層８、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０の成長温度は例えば１０００℃程度とし、Ｉｎを含む層であるＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層４およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層５の成長温度は例えば７００〜８００℃、例えば７３０℃とするが、これに限定されるものではない。
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリエチルガリウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、ＴＥＧ）またはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリエチルインジウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｉｎ、ＴＥＩ）またはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス（メチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）、ビス（エチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ2 Ｈ5 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いるが、これに限定されるものではない。また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、例えば、Ｈ2 ガスが用いられるが、これに限定されるものではない。
次に、例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１４を全面に形成した後、この絶縁膜１４をエッチングにより所定形状にパターニングする。次に、この絶縁膜１４をエッチングマスクとして用いて例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチングによりｐ型ＧａＮコンタクト層１０およびｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９をエッチングすることにより溝１２、１３を形成し、これによってリッジストライプ１１を形成する。次に、このエッチングマスクとして用いた絶縁膜１４を残したまま全面に例えばＳｉＯ2 膜１５およびアンドープＳｉ膜１６を順次形成した後、リッジストライプ１１上の部分にあるこれらの膜を選択的にエッチング除去し、リッジストライプ１１の上面を露出させる。次に、アンドープＳｉ膜１６上にｐ側電極１７を形成する。次に、必要に応じて、ｎ型ＧａＮ基板１をその裏面から研磨することにより、所定の厚さに薄膜化する。次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面にｎ側電極１８を形成する。
以上により、図１に示すＧａＮ系半導体レーザが製造される。
レーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などの具体例を挙げると、次のとおりである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の厚さは１．３μｍ、Ａｌ組成は０．０７である。ｎ型ＧａＮ光導波層３の厚さは０．１μｍである。活性層４の量子井戸層を構成するＧａ1-x Ｉｎx Ｎ層の厚さは３ｎｍ、Ｉｎ組成ｘは０．０８、障壁層を構成するＧａ1-y Ｉｎy Ｎ層の厚さは７ｎｍ、Ｉｎ組成ｙは０．０２であり、井戸数は３である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層５の厚さは４０ｎｍ、Ｉｎ組成は０．０２である。アンドープＡｌＧａＮ光導波層６の厚さは６０ｎｍ、Ａｌ組成は０．０２である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７の厚さは１０ｎｍ、Ａｌ組成は０．２０である。可飽和吸収層８は、厚さが３ｎｍのｐ型ＧａＮ層により厚さが２ｎｍのｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98層を挟んだ構造を有する。可飽和吸収層８を構成するこれらのｐ型層にはＭｇが例えば５×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下ドーピングされている。ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９の厚さは０．５μｍ、このｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層９のアンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は０．１０である。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０の厚さは０．１μｍである。リッジストライプ１１の幅は例えば１．５〜２μｍである。
このＧａＮ系半導体レーザにおいては、可飽和吸収層８のキャリア寿命時間を短くするために、溝１２、１３を形成するために行うドライエッチングにより、Ｍｇがドーピングされたｐ型ＩｎＧａＮ層を含む可飽和吸収層８にエッチングダメージを積極的に導入している。この場合、可飽和吸収層８に確実にエッチングダメージを導入するために、上記のように０≦ｔ2 ≦１００ｎｍとしている。このようにエッチングダメージが導入された可飽和吸収層８では、より多くの中間準位が形成され、この中間順位を介した非発光再結合過程が増加し、非発光再結合寿命時間が短くなる。一般にキャリア寿命時間τs は、発光再結合寿命時間τr と非発光再結合寿命時間τnrとを用いて次式のように表すことができる。
１／τs ＝１／τr ＋１／τnr
この式から、非発光再結合寿命時間τnrが短くなると、キャリア寿命時間τs も短くなることが分かる。
図２に、距離ｔ1 とＧａＮ系半導体レーザのＭＴＴＦ（平均素子寿命時間）との関係を測定した結果を示す。ただし、このＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一である。図２から、ｔ1 ≦１００ｎｍではＭＴＴＦが短くなることが分かる。これは、ｔ1 ≦１００ｎｍのＧａＮ系半導体レーザでは、溝１２、１３を形成するためのドライエッチング時に活性層４にエッチングダメージが導入され、その結果、寿命が急速に悪化していることに起因する。従って、溝１２、１３の底面、すなわちドライエッチング加工面から可飽和吸収層８の上面までの距離ｔ2 をｔ2 ≦１００ｎｍ以下にすることで、可飽和吸収層８のキャリア寿命時間を短くし、ｔ1 ≧１０５ｎｍ以上にすることでＧａＮ系半導体レーザのＭＴＴＦを十分に確保することが可能となる。
また、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２側から活性層４に注入され、活性層４から漏れ出る電子を抑制するために、可飽和吸収層８と活性層４との間に、例えば厚さが６０ｎｍ、Ａｌ組成が０．０２のアンドープＡｌＧａＮ光導波層６と例えば厚さが１０ｎｍ、Ａｌ組成が０．２０のｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７との２層が設けられている。ここで、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６は、アンドープであることにより活性層４付近のエネルギーバンドをフラット化させ、Ａｌ組成が低くても活性層４から漏れ出る電子から見たキャリア障壁エネルギーを実効的に大きくしており、活性層４から漏れ出る電子をブロックする役割を果たす。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７は、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６を超えてきた電子をブロックする役割を果たす。このように、電子ブロック層がアンドープＡｌＧａＮ光導波層６とｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７との２段に形成されていることにより、活性層４からのキャリアオーバーフローを有効に抑えることが可能となり、このオーバーフローにより可飽和吸収層８へ注入される電子を大幅に減らすことができる。このため、実効的に可飽和吸収層８のキャリア寿命時間を短くする効果を得ることができる。このような構成を有するＧａＮ系半導体レーザは、信頼性が高く、安定したセルフパルセーション動作をすることが可能である。
図３および図４に、このＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性およびコヒーレント特性の測定結果を示す。ただし、測定に用いたＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一であり、ｔ1 ＝１４５ｎｍ、ｔ2 ＝１３ｎｍである。また、コヒーレント特性の測定は光出力を１５ｍＷにして行った。γ＝２０％である。図３から明らかなように、セルフパルセーションレーザに特有の多モード発振が確認される。また、図４に示すように、同じくセルフパルセーションレーザに特有の可干渉性低下（γ特性）が確認される。
図５および図６に、比較例によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性およびコヒーレント特性の測定結果を示す。この比較例によるＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一であるが、ｔ1 ＝１４５ｎｍ、ｔ2 ＝１０２ｎｍであり、ｔ1 はｔ1 ≧１０５ｎｍの条件を満たしているものの、ｔ2 は０≦ｔ2 ≦１００ｎｍの条件を満たしていない。コヒーレント特性の測定は光出力を１５ｍＷにして行った。図５から明らかなように、多モード発振が確認されることからセルフパルセーション動作はしているが、図６から明らかなように、可干渉性低下（γ特性）は不十分であった。
以上のように、この第１の実施形態によれば、安定なセルフパルセーション動作が可能で信頼性が高く長寿命のＧａＮ系半導体レーザを容易に実現することができる。
これに加えて、次のような利点を得ることもできる。すなわち、溝１２、１３の外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層１０上には絶縁膜１４、ＳｉＯ2 膜１５およびアンドープＳｉ膜１６が形成されているため、これらの絶縁膜１４、ＳｉＯ2 膜１５およびアンドープＳｉ膜１６の合計の厚さだけ、溝１２、１３の外側の部分におけるｐ側電極１７とｎ側電極１８との間隔をリッジストライプ１１や溝１２、１３の部分における間隔に比べて大きくすることができる。このため、ｐ側電極１７とｎ側電極１８との間の静電容量の低減を図ることができ、ＧａＮ系半導体レーザの高周波特性の向上を図ることができるとともに、静電リークや静電破壊を防止することができる。
このセルフパルセーション型ＧａＮ系半導体レーザは、例えば光ディスク装置の光ピックアップの光源に用いて好適なものである。
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
図７に示すように、このＧａＮ系半導体レーザは、溝１２、１３の底面が可飽和吸収層８の上面と下面との間に位置していることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構成を有する。この場合、溝１２、１３の底面および側面下部の近傍の可飽和吸収層８にエッチングダメージが生じている。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
図８に示すように、このＧａＮ系半導体レーザは、溝１２、１３の底面が可飽和吸収層８の下面より下側に位置していることを除いて、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構成を有する。この場合、溝１２、１３の側面近傍の可飽和吸収層８にエッチングダメージが生じている。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、プロセスなどを用いてもよい。
なお、溝１２、１３の底面から可飽和吸収層８の上面までの距離ｔ2 をｔ2 ＞１０５ｎｍに選び、これらの溝１２、１３にイオン注入を行うことによりこれらの溝１２、１３の底面の下方の可飽和吸収層８に例えばドライエッチングによるエッチングダメージと同程度の損傷を生じさせることによっても、可飽和吸収層８のキャリア寿命時間の低減を十分に図ることが可能である。
この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおける溝の底面から活性層の上面までの距離ｔ1 とＭＴＴＦとの関係の測定結果を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのコヒーレント特性の測定結果を示す略線図である。 比較例によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性の測定結果を示す略線図である。 比較例によるＧａＮ系半導体レーザのコヒーレント特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。 この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
符号の説明
１…ｎ型ＧａＮ基板、２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３…ｎ型ＧａＮ光導波層、４…活性層、５…アンドープＩｎＧａＮ光導波層、６…アンドープＡｌＧａＮ光導波層、７…ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、８…可飽和吸収層、９…ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層、１０…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１…リッジストライプ、１２、１３…溝、１４…絶縁膜、１５…ＳｉＯ2 膜、１６…アンドープＳｉ膜、１７…ｐ側電極、１８…ｎ側電極

Claims (1)

  1. 第１の導電型の第１のクラッド層と、
    上記第１のクラッド層上の活性層と、
    上記活性層上の可飽和吸収層と、
    上記可飽和吸収層上の第２の導電型の第２のクラッド層とを有し、
    上記第１のクラッド層、上記活性層、上記可飽和吸収層および上記第２のクラッド層はＧａＮ系半導体からなり、
    少なくとも上記第２のクラッド層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝が形成されてその間にリッジストライプが形成されているＧａＮ系半導体レーザを製造する場合に、
    上記第１のクラッド層、上記活性層、上記可飽和吸収層および上記第２のクラッド層を成長させた後、少なくとも上記第２のクラッド層をドライエッチングすることにより上記溝を形成し、この際、上記溝の底面および／または側面の近傍の上記可飽和吸収層に上記ドライエッチングによるエッチングダメージを生じさせ、上記溝の底面から上記活性層の上面までの距離が１０５ｎｍ以上、かつ、上記溝の底面から上記可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下となるようにしたＧａＮ系半導体レーザの製造方法。
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