JP4208910B2 - ＧａＮ系レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、光情報機器等の光源に適用して好適な低雑音のＧａＮ系レーザ素子に係わる。

ＩＩＩ族元素のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等とＶ族元素のＮとを含むＧａＮ系化合物半導体は、そのバンド構造や化学的安定性の観点から発光素子用やパワーデバイス用の化合物半導体材料として期待され、その応用が試みられてきた。特に、次世代の光学情報記録装置用光源として、たとえばサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を積層して青色半導体レーザを作製する試みが盛んに行われている。

これら青色半導体レーザのうちで、リッジ導波路の境界で屈折率差を生じさせることによってその導波路内に光を閉じこめてレーザ発振を行わせている例を図２０に示す（たとえば非特許文献１のJpn.J.Appl.Phys.,Vol.37(1998)pp.L309−L312および非特許文献２のJpn.J.Appl.Phys.,Vol.39(2000)pp.L647−L650など参照）。この従来のＧａＮ系レーザ２０００においては、（０００１）面サファイア基板（図示せず）上にＧａＮ厚膜を形成してサファイア基板を除去し、その（０００１）面ＧａＮ厚膜基板２００１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮの下部コンタクト層２００３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの下部クラッド層２００４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮの下部ガイド層２００５、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を利用した多重量子井戸からなる活性層２００６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの蒸発防止層２００７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮの上部ガイド層２００８、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの上部クラッド層２００９、およびＭｇドープｐ型ＧａＮの上部コンタクト層２０１０が順次積層されている。

半導体レーザ２０００の上部では、上部クラッド層２００９の一部と上部コンタクト層２０１０を含む直線状のリッジストライプ２０１１が形成されており、そのリッジストライプ構造の作用によって水平横モードの閉じ込めを行っている。リッジストライプ２０１１の両側面には酸化珪素からなる誘電体膜２０１２が堆積されており、それはリッジストライプ頂上のみから電流注入するための電流狭窄層として作用する。なお、図中の点線で表された領域はリッジストライプの頂上部を表しており、このことは他の図面においても同様である。

リッジストライプ２０１１の頂上部および誘電体膜２０１２を覆うように、ｐ電極２０１３が堆積されている。また、リッジストライプ２０１１と平行な側面を有するメサ２０１５を形成することによって部分的に露出された下部コンタクト層２００３上にｎ電極２０１４が堆積されている。そして、それらの電極を介して、半導体レーザ２０００に電力が供給される。

さらに、共振器端面をドライエッチングにより形成し、それらの端面を破壊しないようにウエハをバー状に分割した後に、リッジストライプと平行に素子を分割してＧａＮ系レーザ２０００が得られる。

この半導体レーザ２０００では、リッジストライプ２０１１部の効果によるステップ状屈折率分布により光閉じ込めを行い、低閾値で安定した水平横モード発振が得られている。レーザ素子寿命に関しても１００００時間以上の寿命が達成されており、素子寿命に対する信頼性に関しては、ほぼ技術が完成されていると考えられる。
Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.37(1998)pp.L309−L312 Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.39(2000)pp.L647−L650

しかしながら、図２０に示されているような構造のレーザでは、発振スペクトルにリップルが生じることがよく知られている。より具体的には、ストライプ方向の共振器長から決まる最小の縦モード間隔（ファブリペローモード間隔）λ₀（ｎｍ）に関連して、数本分のモード間隔λ₁＝ｎλ₀（ｎは整数）置きに発振する。すなわち、可能性として立ち得るファブリペローモードのうちで、実際に立つモードはそのうちの選択されたモードのみになる。

このようなレーザを用いる場合には、雑音の問題が生じることが知られている。レーザ本体からは、使用環境の変化によってモードホッピング雑音等が生じる。たとえば、単一モードレーザにおいて発振波長が隣接するモード間などでランダムにシフトする場合においては、双方のモードの利得差によってレーザ光強度が変動して雑音が発生する。このモード利得の差はモード間隔が離れるほど大きくなるので、それにともなって相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）も増大する。しかしながら、実際に立つモードの間隔が極端に離れていれば、利得を受けられるモードが限定されるためにモードのシフト自体が起こりにくくなり、モードホッピング雑音は発生しにくくなる。すなわち、実際に立つモードの間隔に関して、それらのモード間の利得の違いは比較的大きいけれどもモードシフトが起こらないほどには間隔が離れてもいない場合、最小のファブリペローモード間のモードホップの場合に比べればＲＩＮが極端に大きくなる。

他方、光学情報記録装置の光源として半導体レーザ用いる場合、戻り光雑音が問題になることが知られている。特に単一モード発振レーザなどのように可干渉性の大きいレーザでは、ＲＩＮが非常に増大しやすく、光ディスク等に関する情報の録再時にエラーが生じやすい。ＧａＡｓ系レーザ等では、高周波重畳や自励発振を利用すれば縦多モード発振になって可干渉性が低下するのでＲＩＮを低くすることができ、光学情報記録装置の光源として適していることが報告されている。しかしながら、図２０に示されているようなモード選択性の強いＧａＮ系レーザでは、スペクトルにリップルが乗っているような状態であるので、高周波重畳や自励発振を行っても可干渉性を低下させることが難しく、ＲＩＮが十分には下がらない。

上述のような先行技術によるＧａＮ系レーザ素子における課題に鑑み、本発明は、雑音が低減されたＧａＮ系レーザ素子を提供することを目的としている。

本発明によれば、発光層およびこの発光層の下方と上方のそれぞれに配置された下部クラッド層と上部クラッド層とを含むＧａＮ系半導体積層構造を含むＧａＮ系レーザ素子において、その半導体積層構造はＧａＮ基板上に形成されており、半導体積層構造にはストライプ状導波路構造が作り込まれているとともに、このストライプ状導波路の側面境界から離れた外側でそのストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面が形成されており、これら２つの側面の各々において少なくとも下部クラッド層から上部クラッド層までの端面が露出しており、それら２つの側面の少なくとも一方において下部クラッド層から上部クラッド層までの端面を覆いかつ幅方向におけるファブリペロー共振器としての作用を抑制するための反射抑制膜が形成されており、その反射抑制膜はストライプ状導波路における発振波長３９０〜４２０ｎｍの領域で１０％以下の反射率を有することを特徴としている。

なお、その反射抑制膜は複数の層を含むことが好ましい。また、半導体積層構造の２つの側面の少なくとも一方は、活性層に垂直な面に対して傾斜していることことが好ましい。さらに、反射抑制膜は、酸化物、窒化物、硫化物、およびハロゲン化合物のいずれかから選択された異なる複数種類の層を含むことができる。

以上のような本発明によれば、雑音が低減されたＧａＮ系レーザ素子を提供することができる。

（用語の定義）
まず、本願明細書において用いられるいくつかの用語の意義を明らかにしておく。

「ＧａＮ系半導体」とは、Ｖ族元素のＮとＩＩＩ族元素との化合物を含む六方晶構造の窒化物系化合物半導体を意味し、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成比で表される物質のみならず、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）を他のＩＩＩ族元素（たとえば、Ｂ）で置換した物質や、そのＶ族元素の一部（２０％程度以下）を他のＶ族元素（たとえば、ＰやＡｓ）で置換した物質をも含み、さらに数％程度以下のドーパント（たとえば、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｅなど）を含んでいる物質をも含む。

「ストライプ状導波路」とは、発光部から発した光を閉じ込めて導波するための帯状領域を意味する。

「ストライプ方向」とはストライプ状導波路の長手方向に平行な方向（いわゆる「縦方向」）を意味し、ＧａＮ系レーザ素子において「上方」とは基板上にＧａＮ系半導体層が積層されていく方向を意味する。

（レーザ素子に関する雑音原因の調査）
本発明者らは、従来のレーザ素子における雑音の原因をより正確に把握するために、図２０に示す先例と同様な構造のレーザ素子においてモード選択性が強くなって大きな雑音が生じる原因を調査した。

まず、ＧａＮ系レーザ素子の発光スペクトルを解析したところ、図３のグラフが得られた。このグラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸はレーザ光出力強度（ａ．ｕ．：任意単位）を表している。図３から、このＧａＮ系レーザ素子においては、そのファブリペローモード間隔が約０．０５ｎｍであるのに対して、その数本分のモード間隔０．３〜０．５ｎｍごとに複数モードが強く発振しており、モード選択性の強いことが確認できた。

次に、そのレーザ素子本体の雑音は、図５に示されているような特性を有していた。図５のグラフにおいて、横軸はレーザ光出力（ｍＷ）を表し、縦軸はＲＩＮ（ｄＢ／Ｈｚ）を表している。すなわち、光出力が低い時には自然放出光の影響によって相対的雑音が高いが、光出力が大きくなるにしたがってその雑音は小さくなっていく。しかし、矢印ＡとＢで表されている特定の光出力時において、雑音が増大する現象が見られた。このような雑音増大時のスペクトル分布を観察したところ、モード間隔０．３〜０．５ｎｍの複数モードのうちの２本のピーク位置のモードが交互に発振しており、これら２つのピークの間でモード競合が生じていると考えられた。

すなわち、先例のレーザ構造には、モード間隔０．３〜０．５ｎｍで比較的発振しやすい複数の縦モードが存在する。モード間隔が５ｎｍ程度も離れていればモード競合は起こりにくいが、この０．３〜０．５ｎｍというモード間隔はＲＩＮが増大しやすい間隔であると言える。

また、このＧａＮ系レーザ素子を光情報記録装置に使用した場合において、高周波重畳や自励発振などの強度変調を与えることによって利得スペクトル幅を広げても、モード選択性に起因して、可干渉性が低下しにくくてＲＩＮが大きくなる危険性が非常に高い。

この雑音の要因となるモード選択性が強くなる原因として、ストライプ状導波路を挟んで向かい合う素子側面によるファブリペロー共振器としての作用がストライプ方向の共振器の利得スペクトルに影響を与え、複合共振作用を生じていることが考えられた。図２０の例では、リッジストライプ２０１１の幅方向の両側に位置する素子分割端面とメサ側面とで構成される副共振器の影響が検討されるべきと思われる。たとえば、レーザのストライプ状導波路から漏れ出た光が、基板等で吸収されずに副共振器で共振する間に、ストライプ状導波路に閉じ込められたモードと干渉することなどを考慮すべきと考えられる。

したがって、モード選択性が少なくなるようにまたはモード間隔が狭くなるように複合共振器を設計することにより、雑音の小さなレーザ素子を作製し得ることが期待できる。また、そのように設計されたレーザ素子に高周波重畳や自励発振の効果を加えてやればさらにＲＩＮを下げることができ、光ディスク等に関する情報の録再時にエラーを防止し得ることが期待できる。モード選択性を弱くするためには、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向する素子側面の少なくとも一方が共振器端面として機能しないようにすることが考えられる。

なお、波長帯６００〜８００ｎｍ内の光を射出するＡｌＧａＡｓ系またはＩｎＧａＡｌＰ系のレーザ素子では、発光波長に対して吸収性のある材質（ＧａＡｓ等）を基板に用いているので、副共振器内を往復しようとする光が減衰してしまい、先例のレーザのような副共振器による現象は見られなかった。

以上のような調査に基づいてなされた本発明による種々の実施形態について、本発明に密接に関連する種々の参考例とともに、以下において詳細に説明する。

（参考例１）
図１と図２は、本発明に密接に関連する参考例１におけるＧａＮ系レーザ１００を模式的な斜視図と上面図で図解している。なお、本願のすべての図面において、同一の参照符号は同一または相当部分を表している。

本参考例のＧａＮ系レーザ１００を作製するためには、まず主面として（０００１）面を有する厚さ４００μｍのサファイア基板１０１を洗浄し、さらにＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置内で約１１００℃の水素（Ｈ₂）雰囲気中で高温クリーニングを行う。その後に基板温度を６００℃に下げて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、ドーピング剤としてのシラン（ＳｉＨ₄）、およびキャリアガスとしての水素（Ｈ₂）を導入し、バッファ層１０２として厚さ０．０３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層を基板１０１上に成長させる。

次に、ＮＨ₃とキャリアガスのＮ₂とを流しながら約１０５０℃まで基板温度を上げて、その後にキャリアガスをＮ₂からＨ₂に代えてＴＭＧとＳｉＨ₄をも導入し、下部コンタクト層１０３として厚さ４μｍのＳｉドープＧａＮ層を成長させる。続いて、ＴＭＧとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を所定割合で導入して、下部クラッド層１０４として厚さ０．９μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成する。この後、ＴＭＡの供給を停止して、下部ガイド層１０５として厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層を形成する。

次にＴＭＧの供給を停止し、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に代えて基板温度を７００℃まで下げ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧとを導入し、Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ≦１）障壁層（図示せず）を成長させる。その後、ＴＭＩの供給量を所定割合だけ増加させ、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（０≦ｗ≦１）井戸層（図示せず）を成長させる。これらのＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層の成長を繰り返して、交互積層構造（障壁層／井戸層／・・・井戸層／障壁層）を有する多重量子井戸からなる活性層１０６を形成する。

活性層１０６の形成が終了すれば、ＴＭＩとＴＭＧの供給を停止して基板温度を再び１０５０℃まで上げかつキャリアガスをＮ₂からＨ₂に代えて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびｐ型ドーピング剤であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を流し、蒸発防止層１０７として０．０１μｍ厚のＭｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を成長させる。次に、ＴＭＡの供給を停止し、上部ガイド層１０８として０．１μｍ厚のＭｇドープｐ型ＧａＮ層を成長させる。続いて、ＴＭＡを所定流量で導入してＴＭＧの流量を調整し、上部クラッド層１０９として厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を形成する。最後に、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給量を調整し、上部コンタクト層１１０として０．１μｍ厚のＭｇドープｐ型ＧａＮを成長させる。上部コンタクト層１１０の成長終了後、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇの供給を停止して基板温度を下げ、得られたエピタキシャルウエハを室温においてＭＯＣＶＤ装置から取り出す。

続いて、そのエピタキシャルウエハは、複数の個別のレーザ素子を得るように加工される。まず、ストライプ状導波路を形成するために、幅２μｍのストライプ状レジスト（図示せず）を形成し、そして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってリッジストライプ１１１を形成する。その後、ウエハの上面上に、電流狭窄のための誘電体膜１１２として酸化珪素膜を蒸着する。次いで、レジストを剥離してリッジストライプ１１１の頂部において上部コンタクト層１１０を露出させ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着してｐ電極１１３を形成する。続いて、フォトリソグラフィを利用して保護レジスト層（図示せず）を形成し、ドライエッチング法でメサ１１５を形成してｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の一部を露出させ、そしてその露出部上にＴｉ/Ａｌの順序で蒸着してｎ電極１１４を形成する。なお、図１においては、メサ側面１１７はリッジストライプ１１１と平行になるように形成される。また、メサ１１５の形成のための溝深さは、素子の上面から少なくとも活性層１０６の下に到達するまでとし、好ましくは下部コンタクト層１０３に到達するまでとする。

ｎ電極形成後のウエハは分割されやすいように研磨等によって厚さが６０μｍに調整され、その後に擬似劈開によって複数のバー状に分割され、その分割面がストライプ方向の共振器のミラー端面として利用される。ウエハは、その厚みを６０〜１６０μｍ程度に調整すれば、分割が容易となる。この分割は、ストライプ方向に直交するように正確に行い、共振器長は５００μｍとする。

次に、各バーは、ストライプ方向に平行に素子分割される。たとえば、スクライブ時の針圧（ウエハに針を押し当てる時の荷重）を大きくして、押し割ることで各素子に分割できる。図１と図２の例では、分割面１１８はストライプ方向に対して１２度傾けて形成される。

以上のプロセスの結果、図１と図２に示すようなＧａＮ系レーザ素子１００が完成する。なお、図２は、本参考例の特徴をわかりやすくするためにメサ部１１５のみを示している。ＧａＮ系レーザ素子１００では、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向したメサ側面１１７と分割面１１８とで構成される副共振器のミラー端面が、図２に示すように相対的に傾斜させられている。

このＧａＮ系レーザ素子１００の発振スペクトル分布として、図４のグラフが得られた。図３と異なって、図４においてはファブリペローモード間隔λ₀で発振していることがわかる。すなわち、本参考例のレーザ素子では、モード選択性をほぼなくすことに成功した。これに伴って、モード間隔λ₀で隣接する各モードの間における相対強度差が小さくなり、さらに高周波重畳や自励発振による強度変調を行って可干渉性を低下させることにより、ＲＩＮを顕著に低下させることが可能となった。また、モード選択性を弱くすることによって隣り合うモードの利得差を小さくすることができたので、レーザ本体の雑音に関しても図５に示されているようなピークＡやＢが消え、図６に示すようにＲＩＮを最大で１０ｄＢも低減させ得ることが確認された。

なお、本参考例で述べたＧａＮ系レーザ素子１００の構成や製造方法は、以下のような範囲内で変更することが可能である。

まず、活性層１０６に含まれる障壁層と井戸層に関しては、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲になるようにそれらのＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）組成比と膜厚を設定し、井戸層の数は２〜６から選択すればよい。なお、活性層１０６に少量の他の材料が混入していても、本発明に関連する効果は得られる。また、ｐ電極材料としては他にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕを用いてもよく、ｎ電極材料としては他にＨｆ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕを用いてもよい。

次に、メサ側面１１７に対する分割面１１８の相対的傾きは、３度以上２５度以下の範囲で選択し得る。その傾きが３度未満である場合、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向するメサ側面１１７と分割面１１８が副共振器として働くことによってモード選択性が強くなり、本発明に関連する効果を得ることが困難になる。また、傾きを大きくすれば本発明に関連する効果は得られるが、ウエハから素子を分割する際の切りしろを大きく取る必要が生じる。この切りしろが素子サイズより大きくなれば素子の取れ数が減小するので、切りしろは小さいほうが好ましい。ＧａＡｓ系レーザ素子の幅は一般的に２００〜３００μｍであり、ＧａＮ系レーザ素子でも今後このような値に近づくことが予想されるので、切りしろのためにチップサイズを大きくしなくてもすむ分割角度は２５度程度までとなる。

また、メサ側面１１７に対する分割面１１８の相対的傾きは、１０度以上２０度以下の範囲内にあることがより好ましい。本発明に関連する効果を十分に発揮するためには、傾きが１０度程度以上になるようにすればよい。他方、ストライプ方向のレーザ共振器の端面を保護するために素子分割をストライプから５０μｍ程度以上離れた地点で行うためには、傾きが２０度程度以下になるようにすればよい。

なお、本参考例では、分割線がメサ部上に設定されているので、図１に示すようにメサ部の残部１１６が素子チップ上に存在している。メサ残部１１６は本発明に関連する本質には係わりがなく、素子のマウントを容易にする等の目的でこれを切り落してもよい。また、素子分割手法も本参考例に述べた手法に限定されるものではなく、ダイシングしたり、スクライブしてブレークするなどの手法を用いてもよい。共振器長も５００μｍに限定されるものではなく、適宜に変更することが可能である。

（参考例２）
図７は図１に類似しているが、本発明に密接に関連する参考例２によるＧａＮ系レーザ素子２００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な点は、素子の分割面１１８に、表面荒れがあることである。ストライプ方向に平行な素子分割時に、弱い力でスクライブした後に強い力でブレークするなどの手法を用いれば、破断面に表面荒れを自然に導入することができる。

このように分割面１１８に表面荒れが存在すれば、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向したメサ側面１１７と分割面１１８は、もはや副共振器のミラー端面として作用せず、本来のストライプ方向の共振器長で決定される縦モード間隔でのレーザ発振が可能となる。この時、分割面１１８の表面粗さは、原子間力顕微鏡で測定したＲＭＳ（root−mean−square）値で５０ｎｍ以上に相当するように設定する。これ以下の表面荒れでは、本発明に関連する効果が出ない可能性がある。

また、本参考例においても参考例１と同様なメサの残部ができるが、参考例２ではこのメサの残部に欠け等が発生して素子のマウント時に悪影響を与える可能性があるので、その残部を切り落している。

（参考例３）
図８は、本発明に密接に関連する参考例３によるＧａＮ系レーザ素子３００を模式的に図解した断面図である。なお、このＧａＮ系レーザ素子３００の上面図として、図２を参照することができる。

本参考例に特徴的な一つ目の点は、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した側面が、ｎ電極１１４に近い第一のメサ側面１１７と分割線に近い第二のメサ側面１１９とで構成されていることである。すなわち、第一のメサ側面１１７がリッジストライプ１１１の長手方向と平行になるようにかつ第二のメサ側面１１９が第一のメサ側面に対して傾斜するように、ウエハ上にレジスト層パターンを形成してドライエッチングによってメサ１１５を形成する。なお、そのようなレジスト層パターンは、フォトマスクの設計によって容易に形成することができる。素子の分割は、分割面がメサ側面１１９にかからないように行えばよい。

本参考例に特徴的な二つ目の点は、第二のメサ側面１１９が第一のメサ側面１１７に対して８度の傾きを持っていることである。なお、それらのメサ側面同士のなす角度としては参考例１の場合と同様の角度範囲から選択可能であり、その理由も同様である。

以上のように作製された参考例３のレーザ素子のメサ上面も、図２に示された状態と同様になる。この時、素子分割面１１８は、第二のメサ側面１１９に読み替えられるべきである。

（参考例４）
図９は、本発明に密接に関連する参考例４によるＧａＮ系レーザ素子４００を模式的に図解する上面図である。なお、ＧａＮ系レーザ４００の断面図として図８を参照することができる。

本参考例に特徴的な点は、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した側面がｎ電極１１４に近い第一のメサ側面１１７と分割面に近い第二のメサ側面１１９とで構成されており、第二のメサ側面１１９が図９の上面図においてジグザグ線で表されることである。この時、第二のメサ側面１１９に含まれる複数の部分的側面の各々は第一のメサ側面１１７に対して傾斜させられている。すなわち、第一のメサ側面１１７がリッジストライプ１１１と平行になるようにかつ第二のメサ側面１１９がジグザグ面になるようにレジスト層パターンを形成してから、ドライエッチングによってメサ１１５を形成すればよい。そのようなレジスト層パターンは、参考例３の場合と同様に、フォトマスクの設計によって容易に形成することができる。また、素子４００の分割は、分割面がメサ側面１１９にかからないように行えばよい。

図９の上面図において、第二のメサ側面１１９を表すジグザグの線分の各々は、第一のメサ側面１１７に対して３度以上９０度未満の傾斜角を選択し得る。その傾斜角が３度未満である場合、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向する２つの側面が副共振器として働くことでモード選択性が強くなり、本発明に関連する効果を得ることが困難になり、９０度に達すればもはや第二のメサ側面にはなり得ないことが明らかである。本参考例では、第二のメサ側面１１９を形成するための幅が自由に設計され得るので、素子分割の際の切りしろを大きく取る必要がないという利点を生じる。また、モード選択性を弱めるために、メサ側面１１９の部分的側面の傾きを大きくすることもできる。すなわち、部分的側面の傾斜角度を大きくした場合には、その部分的側面の幅を小さくして数を増やせばよいし、逆の場合には幅を大きくして数を減らせばよい。

なお、本参考例と同様な思想を用いれば、部分的平面と部分的曲面を組み合わせて第二のメサ側面を構成するなどのように、種々の応用も可能である。

（参考例５）
図１０と図１１は、それぞれ図１と図２に類似しているが、本発明に密接に関連する参考例５によるＧａＮ系レーザ素子５００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な一つ目の点は、（０００１）面の主面を有する導電性ｎ型ＧａＮ基板３０１が使用されていることである。これに伴って、その導電性ｎ型ＧａＮ基板３０１上にｎ電極１１４を形成することが可能となり、メサを形成する必要がなくなって工程数が減少する。ｎ電極１１４の形成は、ウエハの厚みを１６０μｍ程度に調整した後に、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面の全領域上に電極材料を形成すればよい。

本参考例に特徴的な二つ目の点は、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面が分割面同士で構成されており、かつ図１１の上面図において両分割面の双方がストライプ方向に平行でなく形成されていることである。なお、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面が相対的に平行ではないことは、参考例１の場合と同様である。

本参考例に特徴的な三つ目の点は、ＧａＮ系レーザ素子５００を含むウエハの形成時にバッファ層を形成していない点である。ホモ成長用のＧａＮ基板を使用する場合でも、ＧａＮ基板の表面歪の緩和、および表面モフォロジや凹凸の改善（平坦化）などを目的にバッファ層を設けることがあるが、結晶成長用ＧａＮ基板の結晶性が優れている場合にはバッファ層を省略することができる。これに伴って、ｎ型ＧａＮ基板３０１の＜1−１００＞方向に平行にリッジストライプ１１１を作りつけ、ストライプ方向に直交する共振器端面を劈開により形成している。

本参考例では、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面が分割面同士で形成されているが、この場合に２つの分割面の相対的傾きを参考例１の場合と同様にすればよい。なお、基板がＧａＮ系半導体である場合、ストライプ方向に沿った素子分割を劈開により行うことも可能である。しかし、その際に２つの分割面を劈開によって互いに平行にしてしまえば、向かい合う劈開面が副共振器として作用し得るので、モード選択性が強くなると考えられる。よって、これを解決するには互いに平行でない劈開面を使用する必要がある。しかし、ＧａＮ系半導体の劈開面である｛１−１００｝面同士および｛１１２０｝面同士は６０度、｛1−１００｝と｛１１２０｝面は３０度の角度を持つ関係にあり、切りしろを大きくとる必要があるので、素子の取れ数の減少を招く危険性が高い。

なお、本参考例のようなＧａＮ系レーザ素子においても、電気的に素子を分離する必要のためや分割のための補助溝に伴うメサを形成する場合が考えられるが、その場合には、メサの２つの側面に関して参考例１の場合と同様の相対的傾斜角を生じるようにすればよい。

（参考例６）
図１２は図１に類似しているが、本発明に密接に関連する参考例６によるＧａＮ系レーザ素子６００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な一つ目の点は、ＧａＮ系レーザ素子６００の基板として、（０００１）面を主面とする厚さ４５０μｍのノンドープＧａＮ基板２０１が用いられていることである。ＧａＮ基板２０１上にはバッファ層１０２が成長させられる。バッファ層１０２は、参考例５で述べたように、省略することが可能である。

本参考例に特徴的な二つ目の点は、図１２に示されているように、メサ１１５が形成され、このメサの側面１１７が活性層１０６に垂直な面に対して傾いていることである。このようなメサ１１５の形成は、ｐ電極１１３の形成まで参考例１と同様に行って、それ以降を以下のようにすればよい。

まず、フォト工程を利用して、ｐ電極１１３やリッジストライプ１１１を保護し得る幅でレジスト層を塗布する。この時、レジスト層の幅方向の端縁はストライプ方向に平行になるようにすればよい。この後、熱処理等を加えることにより、レジストの凝集作用や表面張力を利用して、レジスト層パターンの厚みが中央部から幅方向の端部にかけて連続的に薄くなるように処理する。この結果、レジスト層パターンは、ストライプ方向に直交する断面で見たときに中央部が盛り上がったような形状となる。この状態で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング法を用い、エッチングガス中に酸素等のガスを混入させるなどして、エッチング中にレジスト層パターンの側縁を退行させながら下部コンタクト層１０３が部分的に露出するまでエッチングし、活性層１０６に垂直な面に対してメサ側面１１７が約２５度の傾斜角を有するようにメサ１１５を形成する。

ところで、エッチング時にハイドロフロロカーボン（たとえばＣＨＦ₃）等のフッ素系ガスを混入させるなどして堆積物をメサ側面に付着させながらエッチングを行うようにすれば、レジストの厚みを側縁に向かって連続的に薄くなるように処理する工程を省略することが可能であり、工程数を削減することができる。

なお、メサ形成のためのエッチングの深さは、参考例１の場合と同様にすればよい。以上のようなプロセスの結果として、図１２に示すＧａＮ系レーザ素子６００が得られる。

活性層１０６に垂直な面に対するメサ側面１１７の傾きは、１５度以上９０度未満の角度の範囲に収まるように設計し得る。１５度未満であれば、ストライプ状導波路と交差する副共振器が作用して、レーザのモード選択性を強くする方向に働く可能性がある。他方、９０度以上では、メサを形成し得ないことが明らかである。また、副共振器の作用を打ち消すには、対向するメサ側面の片側だけに傾斜が導入されるようにしてもよい。

（参考例７）
図１３は図１２に類似しているが、本発明に密接に関連する参考例７によるＧａＮ系レーザ素子７００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な点は、メサ側面１１７が参考例６と同様に傾斜を持って形成され、かつその傾斜角が局所的に変動する曲面で構成されていることである。このようなメサ側面は、ドライエッチング中にエッチングガス組成を変動させるなどの手法で、レジスト層パターンの側縁の退行速度とＧａＮ系半導体のエッチングレートの比を変動させれば簡単に形成することができる。

本参考例では、メサ側面１１７は、その曲面の任意の点における接平面が活性層１０６に垂直な面に対して２０〜３０度の間に収まるように形成された。しかし、メサ側面１１７が曲面で構成される場合、副共振器を作用させないためには、活性層１０６に垂直な面に対してその曲面の傾斜角の最小値から最大値までが１５度以上９０度未満の範囲に収まるようにすればよく、その理由は参考例６で述べたのと同様である。

このようにメサ側面が形成されることにより、もはや副共振器が作用せず、ファブリペローモード間隔でのレーザ発振が可能となる。

（参考例８）
図１４は、図１２に類似しているが、本発明に密接に関連する参考例８によるＧａＮ系レーザ素子８００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な一つ目の点は、メサ１１５が逆メサ状に形成されていることである。このようなメサを形成するためには、ウエハを傾けるなどしてエッチングすればよい。

また、本参考例に特徴的な二つ目の点は、メサ側面１１７が活性層１０６に垂直な面に対して約３０度の角度で形成されていることである。

なお、本参考例において具体的に言及されていないその他の点については、参考例６の場合と同様である。

（参考例９）
図１５も図１２に類似しているが、図１５は本発明に密接に関連する参考例９によるＧａＮ系レーザ素子９００を模式的に図解している。

本参考例に特徴的な一つ目の点は、参考例５の場合と同様に、導電性ｎ型ＧａＮ基板３０１が使用されていることである。したがって、ｎ電極１１４がｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面上に形成されることも、参考例５の場合と同様である。

本参考例に特徴的な二つ目の点は、メサ側面１１７が活性層１０６に垂直な面に対して約４５度の角度で形成されていることである。ｎ電極１１４を基板の表面側に形成する必要が無い場合でも、ウエハ状態で素子の不良テストをする場合や、素子分割のための補助溝として活性層の下まで溝を切る場合などのように、メサを形成することが必要になる場合がある。その場合、メサがＧａＮ系レーザ素子のモード選択性を強める働きをしないようにすることが重要となる。

本参考例において具体的に言及されていないその他の点については、参考例６に述べたのと同様である。

（実施形態１）
図１６のレーザ素子は図８のものに類似しているが、本発明の実施形態１によるＧａＮ系レーザ素子１０００を模式的に図解している。

本実施形態では、（０００１）面を主面とする厚さ４５０μｍのノンドープＧａＮ基板２０１を使用する。他の半導体層の成長方法については参考例１の場合と同様である。

本実施形態に特徴的な一つ目の点は、ノンドープＧａＮ基板２０１の一主面上に成長させられた半導体積層にメサ１１５が設けられ、ｎ電極１１４に近い第一のメサ側面１１７上と分割線に近い第二のメサ側面１１９上に反射抑制膜１２０が形成されていることである。第一のメサ側面１１７と第二のメサ側面１１９は、活性層に垂直でかつストライプ方向に平行に形成すればよい。このようなメサ１１５と反射抑制膜１２０は以下のように形成し得る。

まず、ｐ電極１１３までを参考例１の場合と同様に形成する。続いて、メサの形成に際し、フォト工程を利用してｐ電極１１３やリッジストライプ１１１を保護し得る幅でレジスト層を塗布する。この時、レジスト層パターンの側端縁はストライプ方向に平行になるようにする。この後、ＲＩＥ等のドライエッチング法を用いて下部コンタクト層１０３が部分的に露出するまでエッチングし、メサ１１５の側面１１７、１１９を活性層１０６に垂直になるように形成する。メサ形成のための溝の深さは、参考例６の場合と同様にすればよい。

その後、レジストを剥離し、第一のメサ側面１１７と第二のメサ側面１１９のみが露出するように再びレジストを塗布する。次に、ウエハを傾けかつ回転させながら成膜するか、またはスパッタリング等の回り込みの強い成膜法を使用するなどして、メサ側面１１７上に反射抑制膜１２０を形成する。反射抑制膜１２０としては、ＧａＮ系レーザの発振波長である３９０〜４２０ｎｍの光の１０％以下しか反射させないように、二酸化珪素膜と二酸化チタニウム膜を含む多層膜のコーティングを形成する。

この後、ｎ電極１１４の形成、ウエハ厚の調整、共振器の作製、および素子分割を行い、図１６に示すＧａＮ系レーザ素子１０００を得る。なお、素子分割時には、メサ側面上の反射抑制膜１２０が破壊されないように注意する。

反射抑制膜１２０に含まれる多層膜に使用される材料としては、酸化珪素や酸化チタニウムの他にアルミナや二酸化亜鉛のような他の酸化物、さらには窒化物、硫化物、ハロゲン化合物などのように種々の屈折率を持つ材料を使用でき、条件を満たす組み合わせは数多く考えることができる。なお、反射抑制膜１２０に使用される材料は、メサ側面にコーティングされることから、絶縁性を持つものでなければならない。

反射抑制膜１２０は、波長３９０〜４２０ｎｍの範囲内の光に対してその強度の１０％以下を反射させるように設計するが、反射率が１０％程度以上であれば、ストライプ状導波路と交差する副共振器がその作用を示すので、モード選択性を強める働きをする可能性が強くなる。また、レーザの波長は素子の作製条件や動作環境により変化するので、反射抑制膜１２０は、ＧａＮ系半導体レーザの発振波長である４０５ｎｍを中心とする１５ｎｍ程度の範囲内の光を透過させることが好ましい。さらに、図１６では反射抑制膜１２０がメサ側面１１７、１１９全体に付着しているように描かれているが、少なくともレーザ光が導波される活性層を中心として光が閉じ込められるクラッド層１０４、１０９までが反射抑制膜で覆われていればよい。さらに、ストライプ状導波路と交差する副共振器の作用を打ち消す効果は、その副共振器端面のどちらか一方に反射抑制膜が形成されている場合でも得られる。

このようにメサ側面上に反射抑制膜が形成されることにより、ストライプ方向に垂直な方向はもはや副共振器として作用せず、本来のストライプ方向の共振器長で決定される縦モード間隔でのレーザ発振が可能となる。

（実施形態２）
図１７は図１６に類似しているが、本発明の実施形態２によるＧａＮ系レーザ素子１１００を模式的に図解している。

本実施形態に特徴的な点は、第一のメサ側面１１７と第二のメサ側面１１９が活性層に垂直な面に対してに傾きを持っており、メサ１１５の幅がＧａＮ系レーザ素子の上方向に向かって狭まった形態を持っていることである。このようなメサ側面１１７、１１９は、参考例６の場合と同様の手法で作製すればよい。本実施形態では、第一のメサ側面１１７と第二のメサ側面１１９が活性層に垂直な面に対して約１０度になるように形成した。このようにすれば、成膜材料がメサ側面１１７、１１９上につきやすくなるので反射抑制膜１２０の膜厚分布が小さくなり、反射抑制膜の未成膜領域がなくなって歩留まりが向上するなどの利点が得られる。

本実施形態において具体的に言及されていないその他の点については、実施形態１の場合と同様である。

（実施形態３）
図１８は図１６に類似しているが、本発明の実施形態３によるＧａＮ系レーザ素子１２００を模式的に図解している。

本実施形態に特徴的な点は、ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面の一方が素子分割面１１８で構成されており、素子分割面１１８とメサ側面１１７の双方に反射抑制膜１２０が形成されていることである。メサ側面同士が副共振器のミラー面を構成する場合、メサ側面上の反射抑制膜が破壊されないように切りしろを設けて分割する必要がある。しかし、本実施形態ではそのような切りしろが必要でないので素子の取れ数が増加すると共に、メサ側面に関係なく素子分割ができるので歩留まりの向上が期待できる。

なお、レーザーバー中の隣り合う素子同士において、メサ１１５上に素子分割線１１８を設ければ、素子のｎ電極側にはメサの残部（図示せず）ができるが、本実施形態ではこの部分を除去している。しかし、工程数に問題がある場合には、メサ残部除去しなくても構わない。

本実施形態において具体的に言及されていないその他の点は、実施形態１の場合と同様である。

（実施形態４）
図１９は図１８に類似しているが、本発明の実施形態４によるＧａＮ系レーザ素子１３００を模式的に図解している。

本実施形態に特徴的な一つ目の点は、導電性のｎ型ＧａＮ基板３０１が使用されており、副共振器端面となる素子分割面１１８上に反射抑制膜１２０が形成されている点である。また、ｎ電極１１４が導電性ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面上に形成されている。ｎ電極１１４は、参考例５の場合と同様に形成することができる。

なお、導電性基板を使用しても、参考例９の場合と同様にウエハ状態で素子の不良テストをする場合や、素子分割のための補助溝として活性層の下まで溝を切る必要がある場合が考えられる。その場合でも、副共振器となるメサ側面に反射抑制膜１２０をコーティングすれば、副共振器の作用を抑制する効果は同じように得られる。反射抑制膜１２０のコーティングは、素子分割を行った後に、実施形態１の場合と同様に行えばよい。

本実施形態において具体的に言及されていないその他の点は、実施形態１の場合と同様である。

以上、本発明の種々の実施形態について具体的に説明したが、本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種々の変形が可能である。たとえば、本願明細書では半導体レーザ素子の導波路構造をリッジストライプ構造として説明したが、電極ストライプ構造やセルフ・アラインド・ストラクチャ（ＳＡＳ）構造を始めとして、チャネルド・サブストレイト・プレイナ（ＣＳＰ）構造などのように他の構造を採用しても、本発明の本質にかかわるものではなく、本発明の効果が得られる。

また、本発明の各実施形態の特徴的な点は、他の参考例と組み合わされてもよいことは言うまでもない。たとえば、参考例１のような素子分割面に反射抑制膜を形成する、メサ側面の一方側に表面荒れを導入してその上に反射抑制膜を形成する、メサ側面をストライプ方向からずらして素子分割端面を荒らしてその上に反射抑制膜を形成する、メサ側面を活性層に垂直な面に対してから傾けて形成しかつ分割線をストライプ方向に対して傾けてその上に反射抑制膜を形成するなどの組み合わせが考えられるが、これらの変更例も本発明の範囲に含まれる。

さらに、上述の各実施形態において、レーザ構造を形成する各半導体層の導電型を逆にすることも可能である。

以上のように、本発明によれば、雑音が低減されたＧａＮ系レーザ素子を提供することができる。

本発明に密接に関連する参考例１によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１に対応するＧａＮ系レーザ素子の模式的な上面図である。 従来のＧａＮ系レーザ素子における発光スペクトル分布を示すグラフである。 本発明に密接に関連する参考例１によるＧａＮ系レーザ素子の発光スペクトル分布を示すグラフである。 従来のＧａＮ系レーザ素子における雑音特性を示すグラフである。 本発明に密接に関連する参考例１によるＧａＮ系レーザ素子におけるの雑音特性を示すグラフである。 本発明に密接に関連する参考例２によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明に密接に関連する参考例３によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な断面図である。 本発明に密接に関連する参考例４によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な上面図である。 本発明に密接に関連する参考例５によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１０に対応するＧａＮ系レーザ素子の模式的な上面図である。 本発明に密接に関連する参考例６によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明に密接に関連する参考例７によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明に密接に関連する参考例８によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明に密接に関連する参考例９によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明の実施形態１によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明の実施形態２によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明の実施形態３によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 本発明の実施形態４によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。 従来技術によるＧａＮ系レーザ素子の模式的な斜視図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、２０００ ＧａＮ系レーザ素子、１０１ サファイア基板、２０１、２００１ ノンドープＧａＮ基板、３０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ バッファ層、１０３、２００３ 下部コンタクト層、１０４、２００４ 下部クラッド層、１０５、２００５ 下部ガイド層、１０６、２００６ 活性層、１０７、２００７ 蒸発防止層、１０８、２００８ 上部ガイド層、１０９、２００９ 上部クラッド層、１１０、２０１０ 上部コンタクト層、１１１、２０１１ リッジストライプ、１１２、２０１２ 誘電体膜、１１３、２０１３ ｐ電極、１１４、２０１４ ｎ電極、１１５、２０１５ メサ、１１６ メサの残部、１１７、１１９ メサ側面、１１８ 素子分割面、１２０ 反射抑制膜。

Claims (4)

1. 発光層およびこの発光層の下方と上方にそれぞれ配置された下部クラッド層と上部クラッド層とを含むＧａＮ系半導体積層構造を含むＧａＮ系レーザ素子であって、
   半導体積層構造はＧａＮ基板上に形成されており、
   前記半導体積層構造には、ストライプ状導波路構造が作り込まれているとともに、このストライプ状導波路の側面境界から離れた外側で前記ストライプ状導波路を幅方向に挟むように対向した２つの側面が形成されており、
   前記２つの側面の各々において少なくとも前記下部クラッド層から前記上部クラッド層までの端面が露出しており、
   前記２つの側面の少なくとも一方において前記下部クラッド層から前記上部クラッド層までの端面を覆いかつ前記幅方向におけるファブリペロー共振器としての作用を抑制するための反射抑制膜が形成されており、
   前記反射抑制膜は前記ストライプ状導波路における発振波長３９０〜４２０ｎｍの領域で１０％以下の反射率を有することを特徴とするＧａＮ系レーザ素子。
2. 前記反射抑制膜は複数の層を含むことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系レーザ素子。
3. 前記２つの側面の少なくとも一方は、前記活性層に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ系レーザ素子。
4. 前記反射抑制膜は、酸化物、窒化物、硫化物、およびハロゲン化合物のいずれかから選択された異なる複数種類の層を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＧａＮ系レーザ素子。

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