JP4656782B2 - 窒化物半導体レーザ素子とその半導体光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体レーザ素子に関し、特に閾値電流密度を低下させた窒化物半導体レーザ素子とこれを利用した光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ基板上にＳｉＯ₂マスクのマスクパターンが形成され、このＳｉＯ₂マスクの上方と、ＳｉＯ₂マスクが形成されていない窓部の上方にＧａＮ層が積層され、ＧａＮ層上に窒化物半導体レーザ素子が形成されることが、Ｊｐｎ.Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｖｏｌ.３９（２０００）ｐｐ.Ｌ６４７−６５０において報告されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この報告ではＳｉＯ₂マスクを有するＧａＮ基板に形成される窒化物半導体レーザ素子の形成位置については詳細な説明がなされていなかった。
【０００４】
本明細書では、窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層上にマスクとその窓部が形成されたマスクパターンを含むマスク基板があって、そのマスク基板に作製された窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の形成位置が詳細に説明される。本発明は窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の形成位置を適正化することによって、レーザ発振閾値電流密度の低い窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層上に、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜から構成されるストライプ状のマスクと、このマスクが形成されていないストライプ状の窓部とが設けられたマスクパターンを含むマスク基板を含み、このマスク基板上に形成された窒化物半導体下地層と、少なくともｎ型層とｐ型層によって挟まれた井戸層または井戸層とこれに接する障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに含み、上記窓部の中央から上記窓部の幅方向に向かって１μｍ以上離れかつその窓部の幅内の上方領域に、電流狭窄部分の少なくとも一部が形成され、窓部の幅がマスクの幅と等しい広さまたはそれ以上の広さに形成されていることを特徴としている。
【０００６】
上記窓部の幅は５μｍ以上２５μｍ以下であり得り、上記マスクの幅は２μｍ以上３０μｍ以下であり得る。
【０００８】
上記窒化物半導体下地層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくとも１以上の不純物を１×１０¹⁷〜８×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内で含むＧａＮであり得る。
【０００９】
また、上記窒化物半導体下地層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１５）を含み得り、この場合にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１５）に含まれる不純物の濃度は３×１０¹⁷以上８×１０¹⁸／ｃｍ³以下であり得る。
【００１０】
また、上記窒化物半導体下地層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１８）を含み得り、この場合にはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１８）に含まれる。
【００１１】
また、上記井戸層にはＡｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの不純物が含まれ得る。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は半導体光学装置に利用され得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下において本発明による種々の実施形態を説明するに際して、いくつかの用語の意味をあらかじめ明らかにしておく。
【００１４】
「成長抑制膜」とは、その上に窒化物窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい膜を意味する。たとえば、成長抑制膜は誘電体膜あるいは金属膜から構成され得る。より具体的には成長抑制膜はＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、タングステンまたはモリブデン等で形成することができる。
【００１５】
「窓部」とは、成長抑制膜からなるマスクによって被覆されることがなく下地が露出されている部分を意味する。
【００１６】
「窒化物半導体基板」とは、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む基板を意味する。この窒化物半導体基板は、窒化物半導体基板を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうちいずれかの元素で置換されていてもよい。また、この窒化物半導体基板にはＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加され得る。この窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物は、上記不純物群のうちＳｉ、ＯおよびＣｌのいずれかが特に好ましい。
【００１７】
「窒化物半導体層」とは、窒化物半導体基板に積層された層のことで、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む層を意味する。この窒化物半導体層は、窒化物半導体層を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうちいずれかの元素で置換されていてもよい。また、この窒化物半導体層にはＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加され得る。この窒化物半導体層がｎ型導電性を有するための不純物は、上記不純物群のうちＳｉ、ＯおよびＣｌのいずれかが特に好ましい。
【００１８】
「マスク基板」とは、窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層上に上記成長抑制膜から構成されたマスクと上記窓部が設けられた基板を意味する。このマスクの幅および窓部の幅は一定の周期を有していてもよいし、種々異なる幅を有していても構わない。
【００１９】
「窒化物半導体下地層」とは、マスク基板上に成長される膜のことで、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む層を意味する。この窒化物半導体下地層は、窒化物半導体下地層を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうちいずれかの元素で置換されていてもよい。また、この窒化物半導体下地層にはＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加され得る。この窒化物半導体下地層がｎ型導電性を有するための不純物は、上記不純物群のうちＳｉ、ＯおよびＣｌのいずれかが特に好ましい。
【００２０】
「膜付きマスク基板」とは、マスク基板上に窒化物半導体下地層を設置した基板を意味する。
【００２１】
「発光層」とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層から構成された層を意味する。たとえば、単一量子井戸構造の発光層は、１つの井戸層のみから構成されるか、もしくは障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の発光層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。
【００２２】
「発光素子構造」とは、上記発光層がｎ型層とｐ型層とに挟まれた構造を意味する。
【００２３】
「電流狭窄部分」とは、ｐ型層もしくはｎ型層を介して発光層に実質的に電流が注入される部分を意味する。
【００２４】
「電流狭窄幅」とはこの電流狭窄部分の幅のことを意味する。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流狭窄部分は図４（ａ）で示されたリッジストライプ部１１９に該当する。かくして、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄幅Ｅｗは図４（ａ）で示されたリッジストライプ幅Ｒｗに該当する。また、図４（ｂ）における電流狭窄幅Ｅｗは電流阻止層２２間幅に該当する。
【００２５】
[実施の形態１]
（窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される最適位置について）
本発明者らは、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板上に形成される位置によって、閾値電流密度が変化することを見出した。
【００２６】
以下、図５を用いて、電流狭窄部分の最適位置について図４（ａ）に示すリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子を例に説明する。
【００２７】
図５は、リッジストライプ部１１９の形成位置と閾値電流密度との関係を示しており、図５において横軸は膜付きマスク基板２０４の窓部中央Ｗｃからリッジストライプ部１１９側端ａまでの距離を、縦軸はレーザ発振閾値電流密度の低減率をそれぞれ示している。ここで、窓部中央Ｗｃからリッジストライプ部１１９側端ａまでの距離（以後、「ｃ−ａ距離」と呼ぶ。）は、窓部中央Ｗｃから向かって右側を正とし、同じく向かって左側を負として表記されている。また、「レーザ発振閾値電流密度の低減率」とは、窒化物半導体基板上に直接窒化物半導体レーザ素子を作製したときの閾値電流密度を基準として、本発明においてどれだけ閾値電流密度が低減されたかを百分率で表した値である。レーザ発振閾値電流密度の低減率が正の場合は閾値電流密度が低減していることを、負の場合は閾値電流密度が増加していることを表す。
【００２８】
図５で用いられた窒化物半導体レーザ素子の構造および製造方法は、後述で詳細に説明される。図５で用いられたリッジストライプ１１９のリッジストライプ幅Ｒｗは２μｍであり、マスク幅Ｍｗは１０μｍであり、窓部幅Ｗｗは１８μｍであり、マスクの厚みは０．１μｍであった。
【００２９】
図５を参照すると、窒化物半導体レーザ素子の閾値電流密度の低減率は、リッジストライプ部１１９の少なくとも一部が窒化物半導体レーザ素子の窓部２０３の幅Ｗｗ内の上方領域に含まれるように作製されている場合には、リッジストライプ部１１９の全てがマスク２０２の幅Ｍｗ内の上方領域に含まれるように作製された場合よりも大きくなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部１１９の少なくとも一部が窓部２０３の幅Ｗｗ内の上方領域に含まれるように作製した場合でも、リッジストライプ部１１９の少なくとも一部がｃ−ａ距離が−３μｍよりも大きく１μｍよりも小さい領域に作製されていない場合には、閾値電流密度の低減率が大きくなる傾向を示した。
【００３０】
ここで、ｃ−ａ距離の−３μｍを、窓部中央Ｗｃからリッジストライプ部１１９側端ａと逆側の側端であるリッジストライプ部１１９端ｂまでの距離（以後、「ｃ−ｂ距離」と呼ぶ。）に換算すると、リッジストライプ部１１９の幅Ｒｗが２μｍであることから、ｃ−ｂ距離は−３μｍ＋２μｍ＝−１μｍとなる。すなわち、窓部中央Ｗｃと窓部中央Ｗｃから近い方のリッジストライプ部１１９側端までの距離が１μｍ以上となった場合には閾値電流密度の低減率が大きくなり、１μｍ未満となった場合には閾値電流密度の低減率が小さくなった。したがって、この閾値電流密度の低減率が小さくなる領域（窓部中央Ｗｃから左右に１μｍ未満の窓部２０３の幅の上方領域）を領域Ｉと呼ぶこととすると、領域Ｉ内にリッジストライプ部１１９の全てが含まれないように作製された場合（リッジストライプ部１１９の少なくとも一部が領域Ｉからはみ出すように作製された場合）には閾値電流密度の低減率が大きくなり得る。
【００３１】
また、領域Ｉの範囲は窓部中央Ｗｃから２μｍ未満の範囲（図５のｃ−ａ距離で表記すると、−４μｍよりも大きく２μｍよりも小さい領域に該当する）であることがより好ましい。この場合には、閾値電流密度の低減率を１０％以上アップし得るためである。また、領域Ｉの範囲は窓部中央Ｗｃから３μｍ未満の範囲（図５のｃ−ａ距離で表記すると、−５μｍよりも大きく３μｍよりも小さい領域に該当する）であることがさらに好ましい。この場合には、閾値電流密度の低減率を１５％以上アップし得るためである。
【００３２】
ここで、窓部の幅Ｗｗ内の上方領域であって、かつ領域Ｉを除いた領域のことを、領域ＩＩと呼ぶこととする。
【００３３】
以上の結果が、図６の模式図にまとめられる。
図６は、上記の領域Ｉ２３と領域ＩＩ２４についての模式図である。膜付きマスク基板２０４上に作製されたリッジストライプ部（図示せず）は、その一部が少なくとも領域ＩＩ２４内に含まれるように形成されることが好ましい。さらに好ましくは、リッジストライプ部（図示せず）の全てが、領域ＩＩ２４内に含まれるように形成されることである。
【００３４】
上述では、リッジストライプ幅Ｒｗが２μｍの場合について説明したが、その他のリッジストライプ幅Ｒｗが用いられても図５と同様の傾向を示し得る。
【００３５】
また、上述で示されたリッジストライプ部（図示せず）の形成位置とレーザ発振閾値電流密度の低減率との関係は、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子（例えば図４（ａ））に限られるものではない。例えば、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、上述のリッジストライプ部は２つの電流阻止層２２に挟まれた部分に該当し、リッジストライプ幅Ｒｗは電流阻止層２２間幅に該当する（図４（ｂ）を参照）。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の一部が、少なくとも図６に示された領域ＩＩ２４内に含まれていれば本発明による効果が得られ、電流狭窄部分の全てが領域ＩＩ２４内に含まれるように作製されれば本発明による効果を十分に得ることが可能となり得る。
【００３６】
また本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の膜付きマスク基板２０１に電流狭窄部分が形成されるその最適位置は、マスク基板２０１を構成している基板が窒化物半導体基板の場合に限られる。これは、以下の理由からである。
【００３７】
窒化物半導体基板以外の基板（以後、「異種基板」と呼ぶ。）が用いられたマスク基板上に成長された窒化物半導体下地層は、窒化物半導体基板が用いられたマスク基板上に成長されたそれと比較して、強い応力歪を受ける。これは、異種基板と窒化物半導体下地層との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体下地層との間のそれと比較して非常に大きいからである。従って、窒化物半導体基板が異種基板で置換されて、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が本発明に係わる最適位置に作製されたとしても、本発明と同様の効果を得ることが難しい。加えて、異種基板と窒化物半導体下地層との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体下地層との問のそれと比べて非常に大きいことから、異種基板自体が反ってしまう。発光素子構造を含む該基板が反ってしまうと、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が、再現性よく目的とする位置に作製されることが困難になる。
【００３８】
（窓部幅Ｗｗについて）
以下、図６を用いて、窓部幅Ｗｗについて説明する。マスク基板２０１に形成されるマスクパターンの窓部幅Ｗｗは、５μｍ以上２５μｍ以下、より好ましくは９μｍ以上１５μｍ以下である。閾値電流密度の低減の観点から、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分（たとえば、リッジストライプ部）は、領域ＩＩ２４内に作製されることが好ましく、窓部幅Ｗｗの下限値は少なくとも電流狭窄幅Ｅｗよりも広くする必要があることから、電流狭窄幅Ｅｗはおよそ１．５μｍ〜３μｍ幅で形成され得ることを考慮すると、窓部幅Ｗｗの下限値は、領域ＩＩ２４の幅２μｍ（窓部中央Ｗｃから１μｍ未満の領域の場合）とストライプ幅（１．５μｍ）×２を足して少なくとも５μｍ以上となるためである。より好ましくは、窓部幅Ｗｗの下限値が、領域ＩＩ２４の幅６μｍ（窓部中央ｃから３μｍ未満の領域の場合）とストライプ幅（１．５μｍ）×２を足して９μｍ以上となるためである。
【００３９】
また、窓部幅Ｗｗの上限値を２５μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下としているのは、窓部幅Ｗｗの上限値が２５μｍ以下であれば本発明による効果を得ることができ、１５μｍ以下とすると本発明による効果をより得ることができるためである。
【００４０】
また、窓部幅Ｗｗは、マスク基板２０１に形成されるマスク幅Ｍｗと等しいかそれよりも広い方が好ましい。これは領域ＩＩ２４内に窒化物半導体レーザ素子の大部分が形成され得るためである。また、窒化物半導体レーザ素子の素子不良率が減少し得るためである。
【００４１】
（マスク幅Ｍｗについて）
以下、図６を用いて、マスク幅Ｍｗについて説明する。マスク幅Ｍｗの下限値は、２μｍ以上、さらに好ましくは６μｍ以上である。マスク幅Ｍｗが２μｍ以上でないと領域ＩＩ２４内に電流狭窄部分を作製しても顕著な閾値電流密度の低減効果が得られないためである。また、マスク幅Ｍｗが６μｍ以上になると、領域ＩＩ２４とマスク２０２の上方領域との間の境界部分を含むように電流狭窄部分が形成されても閾値電流密度の低減効果を得ることが可能であるためである。このことにより、窒化物半導体レーザ素子チップの歩留まり率が向上し得るためである。
【００４２】
他方、マスク幅Ｍｗの上限値は、特に制約は無い。しかしながら、マスク基板２０１に形成されたマスク２０２が窒化物半導体下地層１０５で完全に被覆されるためには、マスク幅Ｍｗは３０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下が必要となる。
【００４３】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体下地層について）
以下、図６を用いて、窒化物半導体下地層について説明する。マスク基板２０１を被覆する窒化物半導体下地層１０５としては、たとえば、ＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはＩｎＧａＮ膜等を用いることができる。また、窒化物半導体下地層１０５中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくとも１つ以上の不純物を添加することができる。
【００４４】
窒化物半導体下地層１０５がＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。ＧａＮ膜は２元混晶であることから、結晶成長の制御性が良く、容易に製造し得るためである。また、ＧａＮの表面マイグレーション長はＡｌＧａＮ膜のそれと比較して長くＩｎＧａＮ膜のそれと比較して短いことから、マスク２０２または窓部２０３を完全かつ平坦に被覆しつつ、適度な横方向成長を得ることができるためである。窒化物半導体下地層１０５として利用されるＧａＮ膜の不純物濃度は１×１０¹⁷／ｃｍ³以上８×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲で不純物を添加すると、窒化物半導体下地層１０５の表面モフォロジーが良好になって発光層の層厚が均一化され、素子特性が向上し得るためである。
【００４５】
次に、窒化物半導体下地層１０５がＡｌＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。すなわちＡｌＧａＮ膜がマスク基板２０１を被覆すると、マスク２０２上方にボイドが形成されにくく、クラックの発生率が抑制され得るためである。
【００４６】
Ａｌ_xＧａ_1-XＮ膜のＡｌの組成比ｘは、０．０１以上０．１５以下が好ましく、より好ましくは、０．０１以上０．０７以下である。Ａｌの組成比ｘが０．０１よりも小さいと、ボイドの発生を抑制することが難しくなるためである。一方、Ａｌの組成比ｘが０．１５よりも大きくなると、Ａｌの表面マイグレーション長が短くなり過ぎて、マスク２０２の上方をＡｌＧａＮ膜で被覆するのが困難となるためである。なお、ＡｌＧａＮ膜に限らず、この膜と同様の効果は窒化物半導体下地層１０５にＡｌが含有されていれば得られる。また、窒化物半導体下地層１０５として利用されるＡｌＧａＮ膜の不純物濃度は３×１０¹⁷／ｃｍ³以上８×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲でＡｌと共に不純物が添加されると、窒化物半導体下地層１０５の表面マイグレーション長が短くなり、マスク上方のボイドの発生を抑制し得るためである。
【００４７】
次に、前記窒化物半導体下地層１０５がＩｎＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。すなわちＩｎＧａＮ膜がマスク基板２０１を被覆すると、電流狭窄部部分が作製可能な領域ＩＩ２４内での形成位置の違いによってレーザ発振閾値電流密度の低減率の相違が小さくなり得る。これにより、素子の歩留まり率向上と素子特性の安定供給が可能となり得るためである。
【００４８】
Ｉｎ_xＧａ_1-XＮ膜のＩｎの組成比ｘは、０．０１以上０.１８以下が好ましく、より好ましくは０．０１以上０．１以下である。Ｉｎの組成比ｘが０．０１よりも小さいと、上述のＩｎＧａＮ膜による効果が得られにくくなるためである。また、Ｉｎの組成比ｘが０．１８よりも大きくなると、ＩｎＧａＮ膜の結晶性が低下し得るためである。なお、ＩｎＧａＮ膜に限らず、窒化物半導体下地層１０５にＩｎが含有されていればこの膜と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体下地層１０５として利用されるＩｎＧａＮ膜の不純物濃度は１×１０¹⁷／ｃｍ³以上５×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲でＩｎと共に不純物が添加されると、窒化物半導体下地層１０５の表面モフォロジーが良好になって素子の歩留まり率が向上するためである。
【００４９】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体下地層の膜厚について）
以下、図６を用いて、窒化物半導体下地層１０５の膜厚について説明する。マスク基板２０１が、窒化物半導体下地層１０５で完全に被覆されるためには、マスク基板２０１を被覆する窒化物半導体下地層１０５の被覆膜厚が厚くなければならない。一方、マスク基板２０１が、窒化物半導体下地層１０５で完全に被覆されないためには、マスク基板２０１を被覆する窒化物半導体下地層１０５の被覆膜厚が薄くなければならない。本発明の課題を解決する意味では、マスク基板２０１は、完全に窒化物半導体下地層１０５で被覆されなくてともよい。しかしながら、窒化物半導体レーザ素子チップの摂取率の観点からいうと、マスク基板２０１を完全に窒化物半導体下地層で被覆した場合には、完全に窒化物半導体下地層１０５で被覆されない場合と比べて好ましい。したがって、窒化物半導体下地層１０５の被覆膜厚は、およそ２μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。被覆膜厚が２μｍよりも薄くなると、窒化物半導体下地層１０５でマスク基板２０１を完全かつ平坦に被覆させることが困難となり得るためである。また、被覆膜厚が３０μｍよりも厚くなると、次第に表面モフォロジーが悪化し始めるためである。
【００５０】
（マスクのストライプ方向について）
以下、図２を用いて、ストライプ状に作製されたマスク１０２の、ストライプ方向について説明する。
【００５１】
結晶成長面が[０００１]Ｃ面を有する窒化物半導体からなる基板１０１に作製されたマスクのストライプ方向、もしくは基板１０１に積層された結晶成長面が[０００１]Ｃ面を有する窒化物半導体層に作製されたマスク１０２のストライプ方向は、＜１１−２０＞方向がより好ましく、基板１０１に対して＜１−１００＞方向がさらに好ましい。基板１０１の＜１１−２０＞方向に沿ってマスク１０２が形成されると、マスク１０２が窒化物半導体下地層（図示せず）で埋められたときマスク１０２と窓部１０３の境界部分での表面モフォロジーが良いためであり、形成された電流狭窄部分を有する窒化物半導体素子の素子不良率を低減し得るためである。また、基板１０１の＜１−１００＞方向に沿ってマスク１０２が形成されると、クラック発生の抑制効果が非常に高くなるためであり、素子不良率も低減し得るためである。
【００５２】
これらの方向は、[０００１]Ｃ面内で±５度程度の開き角度を有していても上記関係は変わらなかった。
【００５３】
上述の窓部１０３は全てストライプ形状であったが、窓部１０３がストライプ形状であることは以下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分は主にストライプ形状であることから、本発明に係わるストライプ形状の領域ＩＩ内に電流狭窄部分を容易に作製し得り、かつ素子チップの摂取率が向上し得るためである。
【００５４】
（窒化物半導体レーザ素子の作製）
以下において膜付きマスク基板２０１に作製されたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の作製方法を説明する。ただし、この作製方法には限られない。その他の本発明に係る事柄については、上述と同様である。
【００５５】
（膜付きマスク基板の作製方法）
以下、図３を用いて、膜付きマスク基板４の作製方法を説明する。
【００５６】
図３の模式図は、ＧａＮからなる基板１（窒化物半導体基板の一例）上に作製されたマスク２から構成されるマスク基板１と、このマスク基板１上にｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる窒化物半導体下地層５が被覆された膜付きマスク基板４を表している。
【００５７】
まず、マスク基板１は、以下のようにして作製される。
面方位が（０００１）面であるＧａＮからなる基板１表面に、ＳｉＯ₂から構成される成長抑制膜を厚さ０．１μｍで蒸着した。この成長抑制膜は、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）または、スパッタリング法により蒸著した。その後、従来のリソグラフィー技術を用いて、ＧａＮからなる基板１の＜１−１００＞方向に沿って、ストライプ状のマスク２を形成した。このストライプ状のマスク２は、マスク幅Ｍｗを７μｍ、窓部幅Ｗｗを１３μｍに設定して形成した。このようにしてマスク基板１が得られた。
【００５８】
次に、得られたマスク基板１を十分に有機洗浄した後、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置に搬送した。そして、このマスク基板１に、成長温度１０５０℃の条件の下、Ｖ族原料のＮＨ₃（アンモニア）、ＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を供給し、さらにＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を添加して、厚さ１５μｍのｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる窒化物半導体下地層５を積層した。このようにして膜付きマスク基板４が得られた。
【００５９】
上記で説明された成長抑制膜は、ＳｉＯ₂以外にＳｉＮ_x、Ａ１₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、タングステンまたはモリブデン等で構成されていてもよい。
【００６０】
上記で説明されたストライプ状のマスク２のストライプ方向は、マスク基板１に対して＜１−１００＞方向に沿って形成されたが、マスク基板１に対して＜１１−２０＞方向に沿って形成されていてもよい。
【００６１】
上記で説明されたマスク基板１は、（０００１）面を有するＧａＮ基板が用いられたが、その他の面方位およびその他の窒化物半導体基板が用いられていてもよい。窒化物半導体基板の両方位に関しては、Ｃ面[０００１]、Ａ面[１１−２０]、Ｒ面[１−１０２]、Ｍ面[１−１００]、[１−１０１]等が好ましく用いられる。また、上記面方位から２度以内のオフ角度を有する基板であれば表面モフォロジーが良好である。さらに、その他の窒化物半導体基板として、例えば、窒化物半導体レーザの垂直横モードの単峰化のために、ＡｌＧａＮ基板を用いるとより好ましくなる。
【００６２】
（リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法）
以下、図１を用いて、膜付きマスク基板に作製される窒化物半導体レーザ素子を「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」、その「プロセス工程」およびその「パッケージ実装」に分けて順次説明する。
【００６３】
図１は膜付きマスク基板４上に成長された窒化物半導体レーザ素子が、チップ分割された後の窒化物半導体レーザ素子チップを表している。
【００６４】
図１の窒化物半導体レーザ素子チップは、膜付きマスク基板４、Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなるｎ型クラック防止層６、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層７、ＧａＮからなるｎ型光ガイド層８、発光層９、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるｐ型キャリアブロック層１０、ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１１、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｐ型クラッド層１２、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１３、ｎ電極１４、ｐ電極１５、ＳｉＯ₂からなる誘電体膜１８およびｎ型電極パッド１６から構成される。ただし、膜付きマスク基板４は、ＧａＮからなるマスク基板１、マスク２およびｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる窒化物半導体下地層５から構成されている。
【００６５】
以下に、図１に示した窒化物半導体レーザ素子の製造方法を詳細に説明する。
ＭＯＣＶＤ装置を用いて膜付きマスク基板４に、Ｖ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＳｉＨ₄が加えられ、８００℃の成長温度でＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなるｎ型クラック防止層６を４０ｎｍ成長させた。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料が用いられて、１．２μｍ厚のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層７（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を成長させ、続いてＧａＮからなるｎ型光ガイド層８（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を０．１μｍ成長させた。その後、基板温度が８００℃に下げられ、３周期の、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された発光層（多重量子井戸構造）９を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長させた。その際、障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物漫度は１×１０¹⁸／ｃｍ³）を添加した。この場合、障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、１秒以上１８０秒以内の成長中断が実施されてもよい。このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。
【００６６】
発光層９にＡｓが添加される場合はＡｓＨ₃（アルシン）またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を、発光層９にＰが添加される場合はＰＨ₃（ホスフイン）またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフイン）を、発光層９にＳｂが添加される場合はＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）をそれぞれ添加すると良い。また、発光層９が形成される際、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にジメチルヒドラジンが用いられてもよい。
【００６７】
次に、基板温度が再び１０５０℃まで昇温されて、厚み２０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるｐ型キャリアブロック層１０、０．１μｍのＧａＮからなるｐ型光ガイド層１１、０．５μｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｐ型クラッド層１２と０．１μｍのＧａＮからなるｐ型コンタクト層１３を順次成長させた。ｐ型不純物としてはＭｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³で添加した。ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１３のｐ型不純物濃度は、ｐ電極１５の方向に向かって、ｐ型不純物濃度を多くした方が好ましい。このことによりｐ電極１５形成によるコンタクト抵抗が低減し得る。
【００６８】
また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入されても構わない。
【００６９】
この様にして、ｐ型コンタクト層１３を成長させた後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内を全窒素キャリアガスとＮＨ₃に変え、６０℃／分で温度を降下させた。基板温度が８００℃に達した時点で、ＮＨ₃の供給量を停止し、５分間基板温度で待機させてから、室温まで降下させた。上記基板１の保持温度は６５０℃から９００℃の間が好ましく、待機時間は、３分以上１０分以下が好ましい。また、降下温度の到達速度は、３０℃／分以上が好ましい。このようにして作製された成長膜をラマン測定によって評価したところ、従来のｐ型化アニールが実行されなくても、成長後すでにｐ型化の特性が示されていた（Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極１５形成によるコンタクト抵抗も低減していた。また、上記に加えて従来のｐ型化アニールを組み合わせた場合には、Ｍｇの活性化率がより向上し得た。
【００７０】
上記で説明されたｎ型クラック防止層６は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であってもよく、ｎ型クラック防止層自体がなくてもよい。しかしながら、ｎ型クラッド層７とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合は、上記ｎ型クラック防止層６を挿入した方がクラック防止の点でより好ましい。
【００７１】
上記で説明された発光層９は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数は、前述の３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。特に２層以上６層以下のとき閾値電流密度が低くなり、好ましかった。
【００７２】
上記で説明された発光層９は、井戸層と障壁層との両層にＳｉ（ＳｉＨ₄）が１×１０¹⁸／ｃｍ³添加されたが、Ｓｉが添加されなくてもよい。しかしながら、Ｓｉが発光層に添加された方が発光強度は強かった。発光層に添加される不純物は、Ｓｉ以外にＯ、Ｃ、Ｇｅ、ＺｎおよびＭｇの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されていてもよい。また、不純物群の添加量の総和は、約１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は、井戸層と障壁層の両層に限らず片方の層のみに不純物を添加してもよい。
【００７３】
上記で説明されたｐ型キャリアブロック層１０は、Ａｌ組成比が０．２以外であってもよく、このｐ型キャリアブロック層１０自体が無くてもよい。しかしながら、ｐ型キャリアブロック層を設けた方が閾値電流密度が低くなった。これは、ｐ型キャリアブロック層１０が発光層９にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。このｐ型キャリアブロック層１０のＡｌ組成比は、高くすることによってキャリアの閉じ込めが強くなって好ましい。また、キャリアの閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層１０内のキャリア移動度が大きくなり電気抵抗が低くなって好ましい。
【００７４】
上記の説明では、ｎ型クラッド層７とｐ型クラッド層１２として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いられたが、Ａｌの組成比が０．１以外のＡｌＧａＮ３元結晶であってもよい。Ａｌの混晶比が高くなると発光層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が該発光層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度の低減を図り得る。また、キャリアおよび光の閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低下させ得る。
【００７５】
上記で説明されたＡｌＧａＮクラッド層の厚みは、０．７μｍ〜１．５μｍが好ましい。垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレーザ閾値電流密度の低減を図り得るためである。
【００７６】
上記で説明されたｎ型クラッド層７とｐ型クラッド層１２は、ＡｌＧａＮ３元混晶であったが、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ等の４元混晶であっても良い。さらに、ｐ型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層からなる超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層からなる超格子構造を有していても良い。
【００７７】
上記では、ＭＯＣＶＤ装置による結晶成長による方法を説明したが、分子線エビタキシ一法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いてもよい。
【００７８】
（プロセス工程）
続いて、上述の「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」で作製されたエピウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するためのプロセス工程を説明する。ここで、窒化物半導体レーザ素子を作製し終えたエピウエハの表面は平坦であり、マスク基板１に形成されたマスク２および窓部３は窒化物半導体下地層５と発光素子構造で完全に埋没されていた。
【００７９】
ｎ電極１４は、ドライエッチング法を用いて、エピウエハの表側から窒化物半導体下地層５を露出させた後、Ｈｆ／Ａｌの順序で形成した。そして、ｎ電極１４の上にｎ型電極パッド１６としてＡｕを蒸着した。また、このｎ電極１４材料には、Ｔｌ／Ａｌ、Ｔｌ／ＭｏまたはＨｆ／Ａｕ等が用いられてもよい。ｎ電極１４にＨｆが用いられるとｎ電極１４のコンタクト抵抗が下げられるため好ましい。マスク基板１は、窒化物半導体基板で構成されているため、図７で示すようにマスク基板１の裏面側からｎ電極１４が形成されても構わない。ただし、窒化物半導体基板は、ｎ型の極性を有するように不純物がドーピングされる必要がある。
【００８０】
ｐ電極１５部分は、窓部のストライプ方向と同じ方向に向かってストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部１９が形成された。このリッジストライプ部１９は、窓部中央Ｗｃから３μｍ離れた位置に形成した。また、リッジストライプ部１９の幅Ｒｗは１．７μｍとした。その後、誘電体膜１８が蒸著され、ｐ型コンタクト層１３が露出されて、ｐ電極１５がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着されて形成された。また、このｐ電極１５材料には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕ等が用いられてもよい。
【００８１】
また、上記エピウエハをリッジストライプ方向に対して垂直方向にへき開し、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は一般に３００μｍから１０００μｍが好ましい。マスクのストライプ方向が＜１−１００＞方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶のＭ面（[１−１００]面）である。レーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が用いられてもよい。このファブリ・ペロー共振器の共振器瑞面を形成した後、該端面に７０％の反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電体材料としては、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃が誘電多層反射膜として用いられてもよい。
【００８２】
以上のようにして図１の窒化物半導体レーザ素子チップが作製された。
（パッケージ実装）
次に、上記半導体レーザ素子チップがパッケージに実装される方法について述べる。
【００８３】
高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、Ｉｎはんだ材を用いて、Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｗｎでパッケージ本体に接続されることが好ましい。また、高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けられるのではなく、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＳｉＣまたはＡｕ等のサブマウントを介して接続しても構わない。
【００８４】
以上の結果、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が本発明に係わる最適位置に作製されることによって、レーザ発振閾値電流密度の低減が達成された。
【００８５】
[実施の形態２]
以下、図８を用いて、本実施の形態２について説明する。本実施の形態２は、実施の形態１で述べられたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子を、電流阻止層２２を有する窒化物半導体レーザ素子（図４（ｂ））に替えた以外は実施の形態１と同様である。
【００８６】
図８は、膜付きマスク基板３０４、Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなるｎ型クラック防止層１０６、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層２０７、ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０８、発光層１０９、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるｐ型キャリアブロック層１１０、ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１１１、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｐ型クラッド層２１２、電流阻止層２２、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１３、ｎ電極２１４、ｐ電極２１５から構成される。
【００８７】
電流阻止層２２は、ｐ型電極１５から注入された電流が、図８で示された電流阻止層２２間幅のみを通過できるように電流を阻止する層であれば良い。例えば、電流阻止層２２として、ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を用いても良い。電流阻止層２２のＡｌ組成比は０．２５に限らず、その他の値でも構わない。
【００８８】
本実施の形態２では、マスク基板に形成されたマスクの幅Ｍｗを１３μｍ、窓部の幅Ｗｗを１３μｍ、マスクの厚みを０．１μｍおよび電流阻止層間幅を１．８μｍに設定した。また、２つの電流阻止層２２に挟まれた部分の一端を、窓部中央Ｗｃから４μｍ離れた位置に設定した。
【００８９】
[実施の形態３]
本実施の形態３は、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上にマスクが作製されたこと以外は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。
【００９０】
本実施の形態３の、膜付きマスク基板の作製方法を以下に説明する。
まず、面方位が（０００１）面であるＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）をＭＯＣＶＤ装置に装填した。そして、５５０℃の成長温度で、ＮＨ₃とＴＭＧａをＧａＮ基板に供給して、低温ＧａＮバッファ層を形成した。次に、成長温度を１０５０℃まで昇温し、ＮＨ₃、ＴＭＧａおよびＳｉＨ₄を供給して、低温ＧａＮバッファ層上にｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体層の一例）を形成した。ｎ型ＧａＮ層を形成した後、該基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出した。
【００９１】
続いて、ＭＯＣＶＤ装置から取り出された該基板のｎ型ＧａＮ層の表面に、ＳｉＮ_xから構成される成長抑制膜を厚さ０．１５μｍで蒸著した。ＳｉＮ_xは、スパッタリング法で蒸著した。その後、従来のリソグラフイー技術を用いて、ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って、ストライプ状のＳｉＮ_xのマスクを形成した。このマスクは、マスク幅が７μｍ、窓部幅が８μｍで形成した。このようにして、本実施の形態３のマスク基板を得た。
【００９２】
次に、得られたマスク基板を十分に有機洗浄し、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置に搬送した。そして、このマスク基板に、成長温度１０５０℃の条件の下、Ｉ族原料のＮＨ₃、ＩＩＩ族原料のＴＭＧａおよびＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を供給して、厚さ２０μｍのＧａＮ膜（窒化物半導体下地層の一例）を積層した。このようにして、本実施の形態３の膜付きマスク基板が得られ、実施の形態１または実施の形態２と同様の手法を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製し得る。
【００９３】
本実施の形態３で説明された低温ＧａＮバッファ層は、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）であれば良く、低温バッファ層自体が形成されなくてもよい。
【００９４】
しかしながら、現在、供給されているＧａＮ基板は表面モフォロジーが好ましくないため、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）が挿入された方が、表面モフォロジーが改善されて好ましい。ここで、低温バッファ層とは、約４５０℃〜６００℃の成長温度で形成されるバッファ層のことを指す。これらの成長温度範囲で作製されたバッファ層は多結晶もしくは非晶質であり得る。
【００９５】
[実施の形態４]
本実施の形態４は、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素が窒化物半導体レーザ素子の発光層に含有されたこと以外は、上記実施の形態１から実施の形態３と同様である。
【００９６】
本発明は、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくとも何れかの元素が、窒化物半導体発光素子の発光層のうち少なくとも井戸層に含有される。このとき、井戸層に含有された上記元素群の総和の組成比をｘとし、同じく井戸層のＮ元素の組成比をｙとするとき、ｘはｙよりも小さく、ｘ／（ｘ＋ｙ）は０．３（３０％）以下であり、好ましくは０．２（２０％）以下である。元素群の総和の組成比ｘが３０％よりも高くなると濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて井戸層の結晶性が低下し得り、２０％よりも高くなると井戸層内のある領域ごとに元素の組成比の異なる濃度分離が次第に生じ始めるためである。また、上記元素群の総和の下限値は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である。元素群の総和の添加量が１×１０¹⁸／ｃｍ³よりも小さくなると、井戸層に上記元素を含有したことによる効果が得られにくくなるためである。
【００９７】
本実施の形態４による効果は、井戸層に上記元素群のうち少なくとも何れかの元素が含有されることによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小さく、また、井戸層の電子とホールの移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、前者は少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子、ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。すなわち、現在報告されている発光層にＡｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうちいずれも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子と比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、さらに閾値電流密度を低下することができ、自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザであり得る。
【００９８】
[実施の形態５]
本実施の形態５において、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に適用された場合について説明する。また、その他の本発明に係る事柄については、上述の実施の形態１から実施の形態４と同様である。
【００９９】
本発明による窒化物半導体レーザ素子は半導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用されると以下の点において好ましい。本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、レーザ発振閾値電流密度が低いことから低消費電力かつ携帯性に優れた高密度記録再生用光ディスク装置に好ましく適用されるためである。
【０１００】
図９に本発明の窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に利用された一例として、光ディスク装置（光ピックアップ２７を有する装置。たとえば、ＤＶＤ装置など）の概略図を示す。図９のレーザ光３３は、入力情報に応じて光変調器３１で変調され、レンズ２８を通してディスク上に記録される。再生時は、ディスク２５上のビット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光３３がスプリッタ３０を通して光検出器３４で検出され、再生信号となる。これらの動作は制御回路３５によって制御される。レーザ出力については、通常、記録時は３０ｍＷで、再生時は５ｍＷ程度である。
【０１０１】
本発明は、上記光ピックアップ装置を有する光ディスク装置の他に、たとえば、レーザプリンタ、バーコードリーダ、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクタ等にも利用可能である。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ発振閾値電流密度の低い窒化物半導体レーザ素子とそれを用いた半導体光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 膜付きマスク基板上に成長された窒化物半導体レーザ素子チップを表した模式的断面図である。
【図２】 マスク基板の一例を示した模式図である。（ａ）はマスク基板の一例の断面を、（ｂ）はマスク基板の一例の上面を、それぞれ表している。
【図３】 膜付きマスク基板の一例の模式図である。
【図４】 窒化物半導体レーザ構造の模式的断面図である。（ａ）はリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の一例である。（ｂ）は電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の一例である。
【図５】 膜付きマスク基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振閾値電流密度の低減率との関係が表された図である。
【図６】 窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板上に作製され得る領域を示した模式図である。
【図７】 リッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子チップの模式的断面図である（ｎ電極とｐ電極は、互いに対向する位置に配置される）。
【図８】 電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップの一例の模式的断面図である。
【図９】 本発明の窒化物半導体レーザ素子を用いた半導体光学装置（光ピックアップ装置）の一例の概念図である。
【符号の説明】
１,１０１,２０１ 基板、２,１０２,２０２ マスク、３,１０３ 窓部、４,１０４,２０４,３０４ 膜付きマスク基板、５,１０５ 窒化物半導体下地層、６,１０６ ｎ型クラック防止層、７ ｎ型クラッド層、８,１０８ ｎ型光ガイド層、９,１０９ 発光層、１０,１１０ ｐ型キャリアブロック層、１１,１１１ ｐ型光ガイド層、１２,１１２,２１２ ｐ型クラッド層、１３,１１３ ｐ型コンタクト層、１４,１１４,２１４ ｎ電極、１５,１１５,２１５ ｐ電極、１６ ｎ型電極パッド、１７ ｐ型電極パッド、１８ 誘電体膜、１９,１１９リッジストライプ部、２０ ワイヤーボンド、２１ 電流狭窄部分、２２ 電流阻止層、２３ 領域Ｉ、２４ 領域ＩＩ、２５ ディスク、２６ モータ、２７ 光ピックアップ、２８ レンズ、２９ 追従鏡、３０ スプリッタ、３１ 光変調器、３２ レーザ、３３ レーザ光、３４ 光検出器、３５ 制御回路。

Claims (10)

1. 窒化物半導体基板上もしくは窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体層上に、
   窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜から構成されるストライプ状のマスクと、
   前記マスクが形成されていないストライプ状の窓部と、が設けられたマスクパターンを含むマスク基板を含み、
   前記マスク基板上に形成された窒化物半導体下地層と、
   少なくともｎ型層とｐ型層によって挟まれた井戸層または井戸層とこれに接する障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに含み、
   前記窓部の中央から前記窓部の幅方向に向かって１μｍ以上離れ、
   かつその窓部の幅内の上方領域に、
   電流狭窄部分の少なくとも一部が形成され、
   前記窓部の幅が前記マスクの幅と等しい広さまたはそれ以上の広さに形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記窓部の幅が５μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記マスクの幅が２μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記窒化物半導体下地層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうち、少なくとも１以上の不純物を１×１０¹⁷〜８×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内で含むＧａＮであることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記窒化物半導体下地層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１５）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１５）に含まれる不純物の濃度が３×１０¹⁷以上８×１０¹⁸／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記窒化物半導体下地層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１８）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０.０１≦ｘ≦０．１８）に含まれる不純物の濃度が１×１０¹⁷以上５×１０¹⁸／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記井戸層にＡｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの不純物が含まれていることを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 請求項１から９のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子を利用したことを特徴とする半導体光学装置。

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