JP4401133B2 - Ｉｉｉ−ｖ族系窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子に関する。

窒化物半導体レーザ素子の横方向の光モード（横モード）を基本（０次）モードに安定に制御し、共振器方向に導波させるため、その導波（光ガイド）方式を基準にして大別された、利得導波（ゲイン・ガイド）型構造と屈折率導波（インデックス・ガイド）型構造の２通りの横方向構造が知られている。

これらの素子では、活性層を含む中央部を光の導波路とするため、素子の中央ストライプ領域の両側面に接して、ＡｌＧａＮ等のアルミニウム（Ａｌ）原子を含有した窒化物半導体からなる埋め込み層が設けられている（例えば、特許文献１または２参照）。

特開平９−２４６６５１号公報（第２頁） 特開２０００−２９４８８３号公報（第２頁）

しかしながら、上記特許文献１または２に記載の技術を用いたレーザ素子では、実用に供する程度にまで横モードが安定せず、レーザ素子の信頼性が未だ不十分である。

本発明は上記課題を解決するものであり、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の横モードを安定化し、レーザ素子の長期信頼性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するための第１の本発明のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記発光層またはクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有し、前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下であることを特徴とする。
上記課題を解決するための第２の本発明のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記発光層またはクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有し、前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下であることを特徴とする。
上記課題を解決するための第３の本発明のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記発光層またはクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有し、前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を２０％以下の原子分率で含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記発光層との屈折率差が０．００１未満であり、前記クラッド層の導電型がｐ型であり、且つ前記埋め込み層の導電型がｎ型であることを特徴とする。

ここで、上記『原子分率』は、以下のように定義される。リン（Ｐ）原子またはヒ素（Ａｓ）原子の原子分率（％）＝１００×（ＰまたはＡｓ）／（埋め込み層の全てのＩＩＩ族原子＋埋め込み層の全てのＶ族原子）。
例えば、埋め込み層の組成がＧａＮＰの場合、Ｐの原子分率は１００×Ｐ／（Ｇａ＋Ｎ＋Ｐ）である。さらに、ＧａＮＡｓである場合は、Ａｓの原子分率は１００×Ａｓ／（Ｇａ＋Ｎ＋Ａｓ）である。また、ＧａＮＰＡｓである場合は、ＡｓとＰの原子分率は１００×（Ａｓ＋Ｐ）／（Ｇａ＋Ｎ＋Ａｓ＋Ｐ）である。また、ＡｌＧａＮＰである場合は、Ｐの原子分率は１００×Ｐ／（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｎ＋Ｐ）である。

本発明者らが検討した結果、上記埋め込み層に含有させるリン原子の原子分率を大きくするにつれて、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層の屈折率が小さくなることが見出された。本発明にかかる上記構成のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であると、リン原子またはヒ素原子を２０％以下の原子分率で含む埋め込み層を備えており、埋め込み層と発光層またはクラッド層との屈折率差が従来のレーザ素子におけるそれと比べて顕著に大きくなる。これにより、横モードが安定し、利得プロファイルの変化に伴うレーザ発振の不安定性などが解消される。さらに、光出力の増大に伴う電流−光出力特性のキンクの発生や光出力の揺らぎが低減されるため、素子の駆動にかかる長期信頼性が向上する。

なお、リン原子またはヒ素原子の原子分率を大きくするほど上記屈折率差を大きくできるものの、その原子分率が２０％を超えると、上記窒化物半導体層との間の格子不整合差が顕著に拡大してしまうことに加え、３元混晶化による結晶欠陥の発生確率が増加して、埋め込み層自身の結晶性が低下してしまうため、この原子分率を上記範囲とすることが好ましい。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態１にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた発光層と、
Ｃ）この発光層の上に設けられたクラッド層と、
Ｄ）基板上であってかつ発光層およびクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層と
を少なくとも備える。

以下に、図１に示す矢状断面図を参照しながら、本実施の形態１にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の好ましい構成について詳しく説明する。
図１に示すように、本実施の形態１は、
（ａ）ｎ型ＧａＮ基板１００と、
（ｂ）基板の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ層１０１と、
（ｃ）ｎ型ＧａＮ層１０１の上に接して設けられたｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０２と、
（ｄ）クラッド層１０２の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３と、
（ｅ）光ガイド層１０３の上に接して設けられたＩｎＧａＮからなる多重量子井戸型の発光層１０４と、
（ｆ）発光層の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎキャリアブロック層（図示せず）と、
（ｇ）キャリアブロック層の上に接して設けられたｐ型ＧａＮ光ガイド層１０５と、
（ｈ）光ガイド層１０５の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０６と、
（ｉ）クラッド層１０６の上に接して設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層１０７と、
（ｊ）ｎ型ＧａＮ層１０１の上に接して、かつクラッド層１０２の両側面に接して設けられたｐ型ＡｌＧａＮＰ（リン原子の原子分率１％）からなる第１の埋め込み層１０８と、
（ｋ）第１の埋め込み層１０８の上に接して、かつ発光層の両側面に接して設けられたｎ型ＧａＮＰからなる第２の埋め込み層１０９（不純物をドープせず、Ｐの原子分率は４％）と、
（ｌ）ｐ電極１１０およびｎ電極１１１と
を備えた屈折率導波（インデックス・ガイド）型のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子である。

本実施の形態１における埋め込み層の好ましい構成についてさらに詳しく説明する。
＜＜埋め込み層＞＞
本発明にかかる埋め込み層１０８と１０９は、少なくとも
（１）リン（Ｐ）原子またはヒ素（Ａｓ）原子を０．０５％以上２０％以下の原子分率で含む
（２）この半導体の結晶構造のＩＩＩ族サイトにリン原子またはヒ素原子が添加されている
ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層である。
さらに、この埋め込み層は、
（３）発光層よりも屈折率が小さく、ここにおける屈折率差が０．００１以上、好ましくは０．０５以上である、
（４）ｃ軸方向の格子定数が０．５１８９ｎｍ以下である、
（５）ａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下である、
（６）実質的にドーパント（不純物）を含まず、かつその導電性がｎ型であること
のうち、１以上の物性を有することが好ましい。

上記構成のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置などの、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料を含む原料ガスを供給する公知の方法にかかる装置を用いて作製できる。
ここで、上記埋め込み層の好ましい成長工程について説明する。
ａ）ＭＯＣＶＤ装置内に配置した基板１００上にｎ型ＧａＮ層１０１からｐ型ＧａＮコンタクト層１０７までを順次成長させて発光層を含む積層構造を形成した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７からｎ型ＧａＮ層１０１までを部分的にドライエッチングし、中央ストライプ構造（メサ型構造）とした。
ｂ）基板温度を９００℃に調熱し、窒素源としてのアンモニア（ＮＨ₃）とガリウム源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、リン源としてのホスフィン（ＰＨ₃）と、アルミニウム源としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）と、ｐ型不純物源としてのビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムとを反応炉内に供給し、パターンマスクを用いて、ｎ型ＧａＮ層１０１の上に接し、かつクラッド層１０２の両側面に接するｐ型ＡｌＧａＮＰ（リン原子の原子分率１％）からなる第１の埋め込み層１０８を成長させた。
ｃ）基板温度を９００℃に維持し、ＮＨ₃とＴＭＧａとＰＨ₃とを、不純物源を混合せずに反応炉内へ供給し、パターンマスクを用いて、第１の埋め込み層１０８の上に接して、かつ発光層の両側面に接して設けられたｎ型ＧａＮＰ（但し実質的に不純物を含まず、Ｐの原子分率は４％）からなる第２の埋め込み層１０９を成長させ、発光層の両側面に接する埋め込み層を形成した。

ここで、屈折率導波（インデックス・ガイド）型の窒化物半導体レーザ素子において、横モードの制御精度を高めるためには、埋め込み層の屈折率を発光層または発光層を含む中央ストライプ構造部の屈折率よりも小さく、かつ埋め込み層と発光層または発光層を含む中央ストライプ構造部との屈折率差を０．００１以上とすることが好ましい。また、この屈折率差を０．０５以上とすることがさらに好ましい。本発明者らが検討した結果、上記埋め込み層に含有させるリン原子の原子分率を大きくするにつれて、埋め込み層の屈折率が小さくなることが見出された。すなわち、埋め込み層にリン原子を含有させることにより、埋め込み層と窒化物半導体層（例えば（Ｉｎ）ＧａＮ層）との間の屈折率差を大きくすることができる。

また、含有させるリン原子の原子分率の上限値は特に制限されないが、埋め込み層に含有させるリン原子は２０％以下とすることが好ましく、１０％以下の原子分率とすることがさらに好ましい。これは、リン原子の原子分率を大きくするほど上記屈折率差を大きくできるものの、その原子分率が２０％を超えると、上記窒化物半導体層との間の格子不整合差が顕著に拡大してしまうことに加えて、３元混晶化による結晶欠陥の発生確率が増加して、埋め込み層自身の結晶性が低下してしまうためである。

他方、リン原子の原子分率の下限値は０．０５％以上であることが好ましい。これは、上記屈折率差を得るためには埋め込み層に含有させるリン原子の総量を一定以上とする必要があるため、原子分率が０．０５％未満である場合には、埋め込み層の結晶性を悪化させてしまうほどにその層厚を厚くしなければならないからである。なお、半導体層の屈折率は、エリプソメータを用い、入射光と反射光における偏光状態の変化を測定することにより算出できる。

リン原子を２０％以下の原子分率で含有させた埋め込み層の成長には、窒素（Ｎ₂）ガスによって１０％の濃度に希釈したＰＨ₃を用いた。具体的には、３５００ｓｃｃｍ（３５００ｍｌ／ｍｉｎ）のＮＨ₃に対してＰＨ₃が０．０１〜１００ｓｃｃｍ（０．０１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ）となるように混合した後、装置内に供給した。なお、この混合割合は１０１３２４．７２Ｐａ、２５℃の条件で換算したものである。また、埋め込み層の成長速度は０．３μｍ／ｈ以下とした。

埋め込み層の成長温度（基板温度）としては、７００℃以上１０５０℃以下が好ましく、８５０℃以上１０００℃以下がさらに好ましい。この理由としては、７００℃未満の成長温度では、各原料ガスの分解効率の差が顕著となるため、この埋め込み層においてリン原子の原子分率が高くなり過ぎてしまい、層の結晶性が低下することや、成長温度が１０５０℃を超えると、結晶中のリン原子が蒸発しやすくなるため、埋め込み層の結晶構造が維持されなくなることなどがあげられる。

また、各原料ガスは水素ガスや窒素ガスなどのキャリアガスと共に反応路内に供給するが、埋め込み層を成長させるためには水素と窒素との混合ガスを用いることが好ましく、この混合ガスにおける窒素ガスの割合を０．０１％以上５０％以下とすることがより好ましい。これは、窒素ガスの割合が５０％を超えると、埋め込み層の結晶性が急激に低下してしまうためである。

さらに、埋め込み層の屈折率を一層低くするためには、上記第１の埋め込み層のように、埋め込み層にアルミニウム（Ａｌ）原子を１０％以下の原子比率で含有させるのがよい。この原子比率を１０％よりも大きくすると、４元混晶化による結晶欠陥の発生確率が顕著に増加して埋め込み層の結晶性が低下する。なお、Ａｌの原子分率とは、１００×Ａｌ／（埋め込み層のすべてのＩＩＩ族原子＋埋め込み層のすべてのＶ族元素）を意味する。

また、上記発光層または発光層を含む中央ストライプ構造部よりも屈折率が小さく、ここにおける屈折率差が０．００１以上、好ましくは０．０５以上ある埋め込み層をＸ線測定し、その結果からブラッグの式を用いて埋め込み層のｃ軸方向とａ軸方向の格子定数とを算出したところ、ｃ軸方向の格子定数が０．５１８９ｎｍ以下であり、ａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下であることが判った。

＜埋め込み層におけるストイキオメトリについて＞
上記第２の埋め込み層１０９の結晶構造を調べるため、オージェ電子分光（ＡＥＳ）装置を用いて各構成原子の組成比（原子分率）を測定した。なお、原子分率を正確に見積もるために、標準試料（ＧａＮとＧａＰ）を用いて装置の感度を校正した。
埋め込み層（ＧａＮＰ層）における各構成原子の原子分率の総和を１００％とすると、ガリウム原子の原子分率は４７．６％であり、リン原子の原子分率は２．４％であり、窒素原子の原子分率は５０％であった。このＡＥＳ測定結果から、窒化物半導体のＩＩＩ族元素とＶ族元素のストイキオメトリが５０％になるようにＰの配分を考えると、ＩＩＩ族サイトにＰが添加されていると考えるとうまく説明が成り立つ。このようにして、本発明者らはＰが窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに含まれていると判断した。

このような結晶構造は、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層の形成時に、リン原子と窒素原子とが安定した結合状態をとらせるようにすることにより実現しうるが、本発明では、アンモニアとホスフィンとを混合して反応炉内に供給し、かつ０．３μｍ／ｈ以下のゆっくりした成長速度でＧａＮＰ層を形成させている。このような成長方法であると、Ｐ₃Ｎ₅やＰＮなどの安定性の高い化合物が生じやすくなるため、このような結晶構造が形成されるものと考えられる。

なお、埋め込み層における原子分率を調べるためには、上記ＡＥＳ測定法以外にも、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定法を用いることができるのは勿論である。また、埋め込み層の組成がＧａＮＰ以外の場合についても、同様の方法によってその原子分率を測定できるのは勿論である。

＜埋め込み層の導電性＞
ＧａＮＰからなる上記第２の埋め込み層１０９からホール係数を測定した。この結果、この埋め込み層は、実質的に不純物（ドーパント）を添加しなくともｎ型の導電性を示すことが確認された。これにより、本発明にかかる埋め込み層の成長方法であると、ｎ型不純物を添加させずにｎ型導電性を有する半導体層を製造できるので、その成長工程を簡略化でき、さらに、不純物の添加により引き起こされる半導体層の結晶性の低下が生じないので、素子の駆動閾値を長期に安定して引き下げることができる。ここで、この埋め込み層における導電性は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のｎ型不純物が添加された場合に相当する。ところで、半導体層に結晶欠陥が多いと不純物を添加しなくても微弱なｎ型導電性を示すことが知られているが、上記埋め込み層は結晶欠陥が少なくかつそのｎ型導電性が十分に強い。これは、上述したリン原子がＩＩＩ族サイトに入ったことにより埋め込み層に自由電子が生み出され、ｎ型導電性が発揮されたものであると考えられる。ただし、上記第１の埋め込み層１０８のように、この第２の埋め込み層１０９にケイ素（Ｓｉ）やマグネシウム（Ｍｇ）等の不純物を添加することにより、その導電性を調整してもよいことは勿論である。例えば、Ｓｉを添加することによってｎ型のキャリア濃度を高めことができ、Ｍｇを添加することによってｎ型の導電性を低くすることができる。さらにＭｇの添加量を増せばｎ型からｐ型に変えることもできる。

以上から、本発明にかかる埋め込み層を備えた上記構成のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子であると、発光層を含む中央部とその両側面に接して設けられた埋め込み層との屈折率差が、従来の技術にかかるレーザ素子におけるそれよりも顕著に大きくなる。これにより、横モードが安定し、利得プロファイルの変化に伴うレーザ発振の不安定性などが解消され、さらに、光出力の増大に伴う電流−光出力特性のキンクの発生や光出力の揺らぎが低減するため、レーザ素子の駆動にかかる信頼性が向上する。また、ｎ型導電性を有する半導体層の製造工程を簡略化できることに加え、レーザ素子の駆動閾値を長期間安定して引き下げることができる。

上述の優れた効果を有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子は、例えば光磁気再生記録装置、高密度記録再生装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター、光源等の高出力レーザ性能が必要とされる光学装置において特に好ましく適用できる。

〔実施の形態２〕
本発明の実施の形態２にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた発光層と、
Ｃ）この発光層の上に設けられたクラッド層と、
Ｄ）基板上であってかつクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層と
を少なくとも備える。

この埋め込み層は、発光層または発光層を含む中央ストライプ構造部との屈折率差が０．００１以上であるとする実施の形態１における物性に代えて、埋め込み層と埋め込み層によって両側面の一部を挟まれたクラッド層との屈折率差が０．００１未満である物性を有する。また、クラッド層の導電型がｐ型であり、且つ埋め込み層の導電型がｎ型である。また、リン原子又はヒ素原子の原子分率の下限値の制約はない。これ以外の事項については、上記実施の形態１における埋め込み層と同様である。

図２に示す矢状断面図を参照しながら、本実施の形態２にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の好ましい構成の一例を示す。
図２に示すように、本実施の形態２は、
（ａ）ＡｌＧａＮ基板２００と、
（ｂ）基板の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ層２０１と、
（ｃ）ｎ型ＧａＮ層２０１の上に接して設けられたｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２０２と、
（ｄ）クラッド層２０２の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ光ガイド層２０３と、
（ｅ）光ガイド層２０３の上に接して設けられたＩｎＧａＮからなる多重量子井戸型の発光層２０４と、
（ｆ）発光層の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層（図示せず）と、
（ｇ）キャリアブロック層の上に接して設けられたｐ型ＧａＮ光ガイド層２０５と、
（ｈ）光ガイド層２０５の上に接して設けられた第１のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２０６ａと、
（ｉ）クラッド層２０６ａの上に接して設けられた第２のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２０６ｂと、
（ｊ）クラッド層２０６ａの上に接して、かつクラッド層２０６ｂの両側面の一部に接して設けられたｎ型ＧａＮＰ（Ｐの原子分率２％、不純物をドープせず）からなる埋め込み層２０７と、
（ｋ）クラッド層２０６ｂの上に接して設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層２０８と、
（ｌ）ｐ電極２０９およびｎ電極２１０と
を備えた利得導波（ゲイン・ガイド）型のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子である。

上記構成の埋め込み層２０７であると、ｐ電極から注入された電流が埋め込み層中を伝播することを阻止し、このＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子における埋め込み層２０７で挟まれた半導体層の間のみに電流を通過させる電流阻止層として機能する。また、上述したように、この埋め込み層は実質的に不純物を添加しなくともｎ型導電性を示すため、ｎ型導電性を有する電流層の製造工程を簡略化できることに加え、不純物の添加による結晶性の低下が伴わないため、レーザ素子の駆動閾値を長期間安定して引き下げることができる。
以上より、上記埋め込み層を備えたレーザ素子であると、その駆動閾値が長期間安定して低い、利得導波（ゲイン・ガイド）型のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子が提供できる。

〔実施の形態３〕
本発明の実施の形態３にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた発光層と、
Ｃ）この発光層の上に設けられたクラッド層と、
Ｄ）基板上であってかつクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層と
を少なくとも備える。

この埋め込み層は、発光層または発光層を含む中央ストライプ構造部との屈折率差が０．００１以上である物性に代えて、以下のいずれかの物性を有する。
（１）埋め込み層と埋め込み層によって両側面の一部を挟まれたクラッド層との屈折率差が０．００１以上であり、さらに好ましくは０．０５以上である。
（２）埋め込み層と埋め込み層によって両側面の一部を挟まれたクラッド層との屈折率差が０．００１未満である。また、クラッド層の導電型がｐ型であり、且つ埋め込み層の導電型がｎ型である。なお、リン原子又はヒ素原子の原子分率の下限値の制約はない。
これら以外の事項については、上記実施の形態１と同様である。

ここで以下に、図３に示す矢状断面図を参照しながら、本実施の形態３にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の好ましい構成の一例を示す。
図３に示すように、本実施の形態３は、
（ａ）ＡｌＧａＮ基板３００と、
（ｂ）基板の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ層３０１と、
（ｃ）ｎ型ＧａＮ層３０１の上に接して設けられたｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０２と、
（ｄ）クラッド層３０２の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ光ガイド層３０３と、
（ｅ）光ガイド層３０３の上に接して設けられたＩｎＧａＮからなる多重量子井戸型の発光層３０４と、
（ｆ）発光層の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層（図示せず）と、
（ｇ）キャリアブロック層の上に接して設けられたｐ型ＧａＮ光ガイド層３０５と、
（ｈ）光ガイド層３０５の上に接して設けられた第１のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０６ａと、
（ｉ）クラッド層３０６ａの上に接して設けられた、リッジ構造を有する第２のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０６ｂと、
（ｊ）クラッド層３０６ｂの両側面の一部に接して設けられたｎ型ＧａＮＰ（不純物をドープせず）からなる埋め込み層３０７と、
（ｋ）クラッド層３０６ｂの上に接して設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層３０８と、
（ｌ）ｐ電極３０９およびｎ電極３１０と
を備えた、埋め込みリッジ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｒｉｄｇｅ）構造のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子である。

上記構成のレーザ素子では、埋め込み層３０７に添加させるリン原子の原子分率を２０％以下の範囲で増減させることにより、以下に示す導波型の素子を提供することができる。
（１）埋め込み層３０７と埋め込み層によって両側面の一部を挟まれたクラッド層３０６ｂとの屈折率差を０．００１以上、さらに好ましくは０．０５以上とする。これにより、上記実施の形態１と同様に優れた屈折率導波（インデックス・ガイド）型のレーザ素子を提供できる。
（２）埋め込み層３０７と埋め込み層によって両側面の一部を挟まれたクラッド層３０６ｂとの屈折率差を０．００１未満とする。これにより、上記実施の形態２と同様に優れた利得導波（ゲイン・ガイド）型のレーザ素子を提供できる。

〔その他の事項〕
（１）上記実施の形態では、リン原子をガリウム原子および窒素原子と混晶化させて埋め込み層（ＧａＮＰ）としたが、リン原子に代えてヒ素（Ａｓ）原子を用いても本発明にかかる埋め込み層（ＧａＮＡｓ）を作製できる。このとき、ヒ素源としてはアルシン（ＡｓＨ₃）を用いることができる。さらに、埋め込み層の組成としては、上記ＧａＮＰおよびＧａＮＡｓ以外にも、ＧａＮＡｓＰ、ＩｎＧａＮＰ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰＡｓ、ＡｌＩｎＧａＮＰ、ＡｌＩｎＧａＮＡｓまたはＡｌＩｎＧａＮＰＡｓ等とすることができる。

（２）上記埋め込み層は、例えば上記実施の形態１における第１、第２の埋め込み層のように、リン原子またはヒ素原子の原子分率が異なる複数の埋め込み層が積層されてなる多層膜構造（または超格子構造）とすることができる。さらに、第１の埋め込み層または第２の埋め込み層を、例えばＧａＮＰ／ＧａＮ超格子構造やＡｌＧａＮ／ＧａＮＰ超格子構造などとすることもできる。また、上記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を含む埋め込み層と、それらの原子を含まない半導体層とが複数積層されてなる多層膜構造（または超格子構造）とすることもできる。たとえば、上記実施の形態１における第１の埋め込み層がｐ型ＡｌＧａＮ、第２の埋め込み層がｎ型ＧａＮＰの場合などがあげられる。
このように埋め込み層を多層膜構造（または超格子構造）とすると、埋め込み層の屈折率を細かく設定することができるため、横モードが一層安定化する。

以上説明したように、本発明によると、横モードが安定し、利得プロファイルの変化に伴うレーザ発振の不安定性などが解消され、さらに、光出力の増大に伴う電流−光出力特性のキンクの発生や光出力の揺らぎが低減する。また、ｎ型導電性を有する半導体層の製造工程を簡略化できることに加え、レーザ素子の駆動閾値を長期間安定して引き下げることができる。このような本発明の窒化物半導体レーザ素子は、長期信頼性が必要とされる光学装置にも利用できるので、その産業上の利用可能性は大きい。

図１は、本発明にかかる埋め込み層を有する窒化物半導体レーザ素子の一例を表した図である。 図２は、本発明にかかる埋め込み層を有する窒化物半導体レーザ素子の別例を表した図である。 図３は、本発明にかかる埋め込み層を有する窒化物半導体レーザ素子の別例を表した図である。

符号の説明

１００、２００、３００・・・基板
１０１、２０１、３０１・・・ｎ型ＧａＮ層
１０２、２０２、３０２・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３、２０３、３０３・・・ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４、２０４、３０４・・・発光層
１０５、２０５、３０５・・・ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０６・・・・・・・・・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０７、２０８、３０８・・・ｐ型コンタクト層
１０８・・・・・・・・・・・第１の埋め込み層
１０９・・・・・・・・・・・第２の埋め込み層
１１０、２０９、３０９・・・ｐ電極
１１１、２１０、３１０・・・ｎ電極
２０６ａ、３０６ａ・・・・・第１のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０６ｂ、３０６ａ・・・・・第２のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０７、３０７・・・・・・・埋め込み層（電流阻止層）

Claims (19)

1. 基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記発光層およびクラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、
   前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下である
   ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
2. 基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記クラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、
   前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下である
   ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
3. 基板と、前記基板上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたクラッド層と、前記基板上であってかつ前記クラッド層の両側面に接して設けられた埋め込み層とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記埋め込み層は、リン原子またはヒ素原子を２０％以下の原子分率で含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体であり、
   前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、
   前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記発光層との屈折率差が０．００１未満であり、
   前記クラッド層の導電型がｐ型であり、且つ前記埋め込み層の導電型がｎ型である、
   ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記発光層との屈折率差が０．００１以上である
   ことを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記クラッド層との屈折率差が０．００１以上である
   ことを特徴とする請求項２記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記発光層との屈折率差が０．０５以上である
   ことを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記クラッド層との屈折率差が０．０５以上である
   ことを特徴とする請求項２記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記埋め込み層のｃ軸方向の格子定数が０．５１８９ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記埋め込み層のａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記埋め込み層は、実質的にドーパントを含まず、かつその導電性がｎ型である
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
11. 前記埋め込み層がさらにアルミニウム原子を含む
    ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
12. 前記埋め込み層が、リン原子またはヒ素原子の原子分率が異なる複数の層が積層されてなる多層膜構造または超格子構造である
    ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
13. 前記埋め込み層が、リン原子またはヒ素原子を含む層と、リン原子及びヒ素原子をともに含まない半導体層とが複数積層されてなる多層膜構造または超格子構造である
    ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子。
14. 請求項１、２または３に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子を用いた光学装置。
15. 基板上に発光層を成長させる工程と、前記発光層上にクラッド層を成長させる工程と、前記発光層および前記クラッド層の両側面に接する埋め込み層を前記基板上に成長させる埋め込み層成長工程とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
    前記埋め込み層成長工程は、
    リン源またはヒ素源と、窒素源とを少なくとも含有したガスを基板上に供給し、
    前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下であるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層を成長させる工程である
    ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
16. 基板上に発光層を成長させる工程と、前記発光層上にクラッド層を成長させる工程と、前記クラッド層の両側面に接する埋め込み層を前記基板上に成長させる埋め込み層成長工程とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
    前記埋め込み層成長工程は、
    リン源またはヒ素源と、窒素源とを少なくとも含有したガスを基板上に供給し、
    前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が０．０５％以上２０％以下であるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層を成長させる工程である
    ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
17. 基板上に発光層を成長させる工程と、前記発光層上にクラッド層を成長させる工程と、前記クラッド層の両側面に接する埋め込み層を前記基板上に成長させる埋め込み層成長工程とを有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
    前記埋め込み層成長工程は、
    リン源またはヒ素源と、窒素源とを少なくとも含有したガスを基板上に供給し、
    前記埋め込み層に含まれるリン原子またはヒ素原子が、この窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに添加されており、且つ、その原子分率が２０％以下であり、導電型がｎ型であるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層を成長させる工程であり、
    前記クラッド層の導電型がｐ型であり、
    前記埋め込み層の屈折率は前記発光層の屈折率よりも小さく、かつ前記埋め込み層と前記発光層との屈折率差が０．００１未満である
    ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
18. 前記埋め込み層成長工程では、前記基板が７００℃以上１０５０℃以下に調熱されている
    ことを特徴とする請求項１５、１６または１７記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
19. 前記埋め込み層成長工程は、さらに水素と窒素との混合ガスを供給し、この混合ガスにおける窒素の割合が０．０１％以上５０％以下である
    ことを特徴とする請求項１５、１６または１７記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。

Images