JP4756784B2 - 窒化物半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振特性を有する低雑音性の窒化物半導体レーザ素子とその製造方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の光ディスクシステム用の光源としては、高記録密度の実現のために、より集光径を小さくし得る短波長光源が用いられる。しかし、コスト削減や量産性の向上のために、光ディスクシステムにおけるレンズや光ディスクなどに安価なプラスチック系の光学材料を用いることが望まれ、そのような光学材料の吸収端の波長は約３９０ｎｍ近傍に存在する。したがって、光ディスクシステム用としては、４００ｎｍ程度の波長の光源が望ましい。このような短波長光源には窒化物半導体レーザ素子が用いられており、そのようなレーザ素子の代表的な材質は窒化ガリウム系化合物半導体である。なお、光源をさらに短波長化するためには光ディスクシステム中の光学材料の検討が必要になり、コストの上昇や量産性の低減になる恐れがある。
【０００３】
窒化物半導体レーザ素子において、光ディスクシステム等に用いる際に問題となる戻り光雑音を減少させるために、たとえば自励発振特性を生じ得る構造が用いられている。このような自励発振を伴う窒化物半導体レーザ素子を実現するために、可飽和吸収層がたとえばガイド層中またはクラッド層中などに挿入され得る。たとえば、特開平９−１９１１６０は、そのような可飽和吸収層を含む低雑音性半導体レーザ素子の一例として、図１７に示されているような構造を開示している。
【０００４】
図１７に示された窒化物半導体レーザ素子においては、ｎ型ＳｉＣ基板２００上に、ｎ型ＡｌＮ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０７が順次積層されている。そして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０６内には、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層２０８が挿入されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光ディスクシステムなどの光学情報記録装置が用いられる環境の温度は一定ではなく、０℃〜６０℃程度の温度範囲においてレーザ素子が安定に動作し得ることが望まれる。しかし、特開平９−１９１１６０に開示されているような可飽和吸収層を含む窒化物半導体レーザ素子では、その雑音が低温時と高温時に高くなって、光学情報記録装置の読出しや書込みの際にエラーを生じさせることがある。この原因を本発明者らが調べたところ、そのような低温時と高温時にレーザ素子の自励発振が停止していることが確認された。
【０００６】
一般的に、自励発振を生じ易くするためには可飽和吸収層内のキャリアの再結合時間は短いほうがよいことが知られており、本発明者の実験によれば１．５ｎｓ以下であることが望ましい。特開平９−１９１１６０においては、ＩｎＧａＮからなる可飽和吸収層に所定濃度以上のＭｇ（ｐ型不純物）を添加することによって、その再結合時間を短くする効果を得ている。しかし、本発明者らの検討によれば、この手法では温度に対する自励発振の安定性が不充分になることが分かった。
【０００７】
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、雰囲気温度の変化にかかわらず安定に自励発振する特性を実現することによって、光ディスク等からの戻り光に影響されずに低雑音で安定動作し得る窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様による窒化物半導体レーザ素子は、基板上において発光層、この発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層を含み、それらの発光層と可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えたレーザ素子であって、その可飽和吸収層が１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮからなり、可飽和吸収層は単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を含み、その可飽和吸収層に含まれる１つの井戸層の厚さｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍの範囲内にあり、蒸発防止層と可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴としている。
【００１０】
なお、発光層と可飽和吸収層の距離ｌ1 は、１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１１】
可飽和吸収層が多重量子井戸構造を含む場合には、その井戸層の数ｎが２≦ｎ≦１０の範囲内にあることが好ましい。
【００１２】
本発明の他の態様による窒化物半導体レーザ素子は、基板上において発光層、この発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層を含み、それらの発光層と可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えたレーザ素子であって、その可飽和吸収層が１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮからなり、可飽和吸収層にはＩｎ濃度の高い微小領域と低い微小領域が混在しており、Ｉｎ濃度の高い領域の平均径が１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲内にあってその領域分布密度が１×１０11個／ｃｍ2以上であり、可飽和吸収層における１つの井戸層の厚さｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０ｎｍの範囲内にあり、蒸発防止層と可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴としている。なお、発光層と可飽和吸収層の距離ｌ1は、１５ｎｍ≦
ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１３】
可飽和吸収層中でＩｎ濃度の高い微小領域と低い微小領域が混在している窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、その可飽和吸収層の成長温度ＴがＴ≦７１０℃の範囲内に設定され、その厚さ方向の成長速度Ｇ．Ｒ．がＧ．Ｒ．≦０．０７ｎｍ/ｓの範囲内にあることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
自励発振は半導体レーザ素子に注入されたキャリアによって反転分布が生じている利得領域と可飽和吸収層とのキャリアや光子の相互作用によって生じ、これはさまざまな物性値を適切に組み合わせることによってはじめて生じる。可飽和吸収層に要求される主な特性は、実質的なバンドギャップが活性層（利得領域）と比べて同じかまたは狭いこと、キャリア寿命が活性層と比べて短かくて約１．５ｎｓ以下であること、および可飽和吸収することなどである。なお、可飽和吸収するとは、光の吸収量が多くなれば吸収係数が減少する特性を有していることを意味している。
【００１５】
可飽和吸収層を利用した自励発振構造はＧａＡｓ系の半導体レーザではすでに知られているが、窒化物半導体レーザで自励発振を生じさせるには更なる検討が必要である。
【００１６】
窒化物半導体レーザの可飽和吸収層としての実質的なバンドギャップの調整はＩｎxＧａ1-xＮ混晶中のＩｎ混晶比ｘを調節することによって可能であり、たとえば層厚１ｎｍの場合には０．２２≦ｘ≦０．２６程度になるように設定すればよい。このように層厚が薄くなれば、量子効果によってＩｎの混晶比が上がったような効果を生じる。
【００１７】
窒化物半導体レーザでは、前述の可飽和吸収層のキャリア寿命と可飽和特性の条件を満たすことが非常に困難であった。特開平９−１９１１６０におけるように、窒化物半導体レーザの可飽和吸収層中の不純物濃度を上げてキャリア寿命を短くすることは、ＧａＡｓ系の半導体レーザの場合と同様に有効な手段である。他方、窒化物半導体の可飽和吸収層中ではキャリヤの有効質量が大きいために可飽和しにくいという問題もある。
【００１８】
ところで、自励発振レーザ素子を光源として用いるシステム、たとえば光情報記録装置などは一定の雰囲気温度中で動作させられる保証はなく、一般に０℃〜６０℃程度の広い温度範囲で安定動作する必要がある。このような温度領域で安定な自励発振特性を得るためには、可飽和吸収層のキャリア寿命が温度変化に対して安定である必要がある。雰囲気温度とは半導体レーザチップの置かれている環境の温度であるが、ペルチェ効果等で冷却している場合はそのチップが装着されているステム等の温度を意味する。キャリア寿命と可飽和しやすさは密接な関係があり、過度にキャリア寿命が短くなれば可飽和吸収層中のキャリア密度が増えにくくなり、吸収係数の変動が小さくなる。
【００１９】
一般に雰囲気温度一定の条件下では特開平９−１９１１６０におけるようにＭｇの高濃度ドープにより可飽和吸収層中のキャリア寿命を短くすることは自励発振を促進するために効果的であるが、０℃〜６０℃の温度範囲での自励発振の安定性のためには逆効果であることが本発明者らによる実験から明らかになった。ＩｎＧａＮ可飽和吸収層においては、高温になるほど不純物Ｍｇは活性化しやすくなるので、Ｍｇを高濃度で添加すれば高温時のキャリア寿命が短くなりすぎて可飽和吸収しにくくなり、低出力での自励発振が停止してしまう。このような背景から、温度変化に対して可飽和吸収層のキャリア寿命が安定であるためにはＭｇなどのｐ型不純物濃度が１．０×１０17／ｃｍ3以下であることが好ましく、他の手法を用いることによってキャリア寿命を短くすることが望まれる。
【００２０】
＜実施形態１＞
図１においては、本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極１０、ｎ−ＧａＮ基板１１、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層１７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８、ｐ−ＧａＮガイド層１９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１、絶縁膜２２、およびｐ電極２３を含んでいる。
【００２１】
この図に示されているように、実施形態１はリッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。また、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８は、単量子井戸（ＳＱＷ)構造を有している。
【００２２】
以下において、図１を参照しつつ本実施形態１による半導体レーザ素子の製造方法を説明するが、本明細書中におけるエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長させる方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、およびＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法などを含む。
【００２３】
まず、ＧａＮ基板１１を形成する方法について述べる。厚さ５００μｍ程度のＧａＮ単結晶基礎基板の上面に数μｍ間隔で深さ１０から５０ｎｍ程度の溝(または丘）を設け、新たに厚さ４μｍ程度のＧａＮ層をエピタキシャル成長によつて積層する。この工程は基礎基板が含む貫通転移などの欠陥の引継ぎを低減させるためのものであり、その欠陥引継ぎの低減はＧａＮ単結晶基礎基板上の段差部の側壁から始まるＧａＮ層の横方向選択成長により可能になると考えられる。得られたＧａＮ基板１１の上面においては欠陥密度の高い領域と非常に少ない領域が基礎基板の溝（または丘）の周期に対応して周期的に繰り返して存在しており、レーザ構造は欠陥密度の少ない領域上に形成される。
【００２４】
次に、窒化物半導体レーザ素子を構成する種々の窒化ガリウム系半導体層をＧａＮ基板１１上にエピタキシャル成長させる方法について述べる。
【００２５】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａＮ基板１１をセットし、Ｖ族元素用原料のＮＨ3とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用いて、５５０℃の比較的低い基板温度でＧａＮバッファ層(図示せず）を２５ｎｍの厚さに成長させる。次に、１０７５℃の基板温度において、上述のＮＨ3とＴＭＧａを含む原料にＳｉＨ4を加えて、ｎ−ＧａＮ層１２（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を３μｍの厚さに形成する。続いて基板温度を７００℃〜８００℃程度に下げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ(トリメチルインジウム)を利用して、ｎ−Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１３を５０ｎｍの厚さに成長させる。再び基板温度を１０７５℃に上げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ(トリメチルアルミニウム）を利用して、厚さ０．９５μｍのｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長させ、続いてｎ−ＧａＮガイド層１５を０．１μｍの厚さに成長させる。
【００２６】
その後、基板温度を７３０℃に下げ、厚さ６ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎバリア層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層とを交互に含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層１６が成長させられる。本実施態様の発光層はバリア層で始まってバリア層で終わる積層構造を有し、３周期の井戸層を含んでいる。なお、バリア層と井戸層、または井戸層とバリア層との間に１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断時間を設けてもよい。このことによってバリア層と井戸層の平坦性が向上し、得られるレーザ素子の発光半値幅を減少させることができる。
【００２７】
次に基板を再び１０５０℃まで昇温して、厚さ１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層１７を成長させる。このとき、ｐ型不純物として、ＥｔＣｐ2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を利用して５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3のＭｇが添加される。
【００２８】
次に基板温度を７００℃に下げて、Ｉｎ0.22Ｇａ0.78ＮのＳＱＷからなる可飽和吸収層１８を成長させる。なお、このときにＭｇは添加されていない。また、可飽和吸収層１８は、その吸収特性を考慮して１．５ｎｍの厚さにされた。ウエハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を利用して、活性層１６からのＰＬ発光ピーク波長と可飽和吸収層１８からのＰＬ発光ピーク波長とのエネルギ差が−０．１５ｅＶ〜＋０．０２ｅＶ以内となるようにして、これらの層における実質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整される。なお、可飽和吸収層１８を積層後、１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断期間を設けてもよい。
【００２９】
続いて基板を再び１０５０℃まで昇温し、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮガイド層１９、厚さ０．５μｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０、および厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層２１を成長させる。このとき、ｐ型不純物として、Ｍｇが５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3の濃度で添加される。
【００３０】
なお、可飽和吸収層１８は隣接層からの拡散によってＭｇ等の不純物を含むこともあるが、その不純物濃度は１×１０17／ｃｍ3以下であった。
【００３１】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２１の形成後にドライエッチングによってリッジ構造を形成し、ＳｉＯ2の絶縁膜２２の開口部上にｐ電極２３（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層）を形成する。その後、ＧａＮ基板１１の裏面側から研磨またはエッチングによってその基板の一部を除去し、ウエハ全体の厚みを１００〜１８０μｍ程度にまで薄く調整する。これは、後でウエハを分割して個々のレーザチップにすることを容易にするための工程である。特に、レーザ端面ミラーもチップ分割時に形成する場合には、ウエハ厚さを８０〜１５０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。本実施形態においては、研削機と研磨機を用いてウエハの厚みを１２０μｍに調整した。なお、場合によっては研磨機のみを用いてウエハ厚さを調整してもよく、その場合はウエハの裏面は研磨機によって磨かれているので平らである。
【００３２】
ＧａＮ基板１１の研磨された裏面上に薄い金属膜を蒸著することによって、ｎ電極１０が形成される。このｎ電極１０は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕの積層構造からなっている。このような薄い金属膜を厚さの制御性よく形成するには真空蒸者法が適しており、本実施形態１においてもこの手法が用いられた。ただし、イオンプレーテイング法やスパック法等の他の手法を用いても良いことは言うまでもない。ｐ電極２３とｎ電極１０の特性向上のために金属膜蒸着後に５００℃でアニールが行われ、良好なオーミック電極が得られている。
【００３３】
以上のようにして調製されたウエハは、以下のような方法でチップ分割された。まず、ウエハ表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、適宜に力を加えて、スクライブラインに沿ってウエハを分割した。なお、スクライブラインをウエハ裏面から入れてもよいことは言うまでもない。他の手法としては、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れまたは切断を行うダイシング法、エキシマレーザ光などの照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせてこれをスクライブラインとするレーザスクライビング法、または高エネルギ密度レーザ光の照射部を蒸発させて溝入れ加工を行うレーザアブレーション法などを用いても同様にチップ分割が可能である。
【００３４】
その後、ダイボンディング法でレーザチップをヒートシンク上にマウントすることによって半導体レーザ装置が得られた。チップは、ｎ電極側を接合面にするジャンクションアップで強固に接合された。ここでいうヒートシンクは、ステム等のことを意味する。
【００３５】
このように製作された窒化物半導体レーザ装置の諸特性が調べられた。窒化物半導体レーザ装置における共振器長は５００μｍで、ストライプ幅は２μｍであった。また、室温２５℃において閾値３５ｍＡで連続発振し、発振波長は４０５±５ｎｍであった。さらに、フアーフィールドパターン（ＦＦＰ）にはリップル等が無く、ビームをレンズ等で集光する際に問題を生じることはなかった。次に光出力を５ｍＷに固定した自動電力制御（ＡＰＣ：オートパワーコントロール）駆動において、雰囲気温度を変えて自励発振の有無を調べたところ、表１に示されているように０℃〜６０℃の温度範囲の全域において自励発振が確認された。
【００３６】
【表１】
【００３７】
次に、可飽和吸収層１８の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性の変化が調べられた。井戸層厚ｄを変更すれば閉じ込め係数が変化し、たとえばｄを厚くすれば閉じ込め係数は増大する。その結果、可飽和吸収による吸収係数の変化量が大きくなってしまうので、活性層１６から可飽和吸収層１８までの距離ｌ 1 を調整することによって、可飽和吸収層１８の閉じ込め係数がほぼ一定に保たれるように調整された。その結果、図２に示されているように井戸層厚ｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内において自励発振が確認された。自励発振が確認された条件のもとで雰囲気温度を０℃から６０℃まで変えて観測したところ、安定して自励発振していることが分かった。ただし、ｄ≦１ｎｍの厚さ範囲では、可飽和吸収層は完全な層状でなくてドット（または島状）形状になっていてもよく、ドットの大きさは任意である。なお、ドット形状におけるｄの定義は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像における最大膜厚とした。
【００３８】
他方、井戸層厚ｄ＜０．５ｎｍの範囲では、可飽和吸収層の閉じ込め係数が小さくなりすぎて吸収量が非常に小さくなり、自励発振が観測されなかった。また、井戸層厚ｄ＞４ｎｍの範囲でも、自励発振が観測されなかった。この場合に、Ｉ−Ｌ（注入電流-光出力）特性を測定したところ発振後のＳＥ（微分効率）の立ちあがり時に急激な変化が見られた。この現象は可飽和効果によるものと考えられ、自励発振との差異が生じる原因は可飽和吸収層のキャリア寿命が異なるためと考えられる。このように、自励発振が生じない現象は、可飽和吸収層のキャリア寿命が長いために生じると考えられる。
【００３９】
以上の検討から、井戸層厚ｄを薄くしていくとキャリア寿命は短くなると推測され、また可飽和しやすくなることがわかる。
【００４０】
井戸層厚ｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内おいて実施形態１の窒化物半導体レーザを光ディスクなどの光学情報記録装置の光源として用いたところ、エラー等を生じることなくなく、光ディスク上でデータの書き込みや読み出しを行うことができた。
【００４１】
また実施形態１にしたがった窒化物半導体レーザは、雰囲気温度が変化しても安定に自励発振する素子として得ることができた。図３のグラフ中で２つの実線に挟まれた範囲は実施形態１において雰囲気温度を変化させた時に自励発振の観測された出力範囲を示しており、２つの点線に挟まれた範囲は特開平９−１９１１６０に従った窒化物半導体レーザに関する結果を示している。
【００４２】
次に、可飽和吸収層１８に種々の濃度でＭｇを添加するとともに雰囲気温度を変えることによって、自励発振の有無が調べられた。具体的には、可飽和吸収層１８中のＭｇ濃度を１×１０19／ｃｍ3に増大して閉じ込め係数を調整したところ、２５℃の雰囲気中で自励発振が確認された。しかし、温度を下げていけば自励発振が停止してしまい、また温度を上げた場合には著しく発振閾値が上昇し、５ｍＷのＡＰＣ駆動で自励発振が確認されなかった。さらに光出力を上げれば再び自励発振するレーザ素子もあったが、雰囲気温度の変化に対してＡＰＣ駆動で安定に自励発振する素子は得られなかった。
【００４３】
光ディスク等の光学情報記録装置の光源として窒化物半導体レーザを用いる場合、それはＡＰＣ駆動で使用されるので、前述のように雰囲気温度の変化によって自励発振特性が変化するレーザ素子であっては、雑音が急激に増加する場合が生じるので使用できない。
【００４４】
このように、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８にＭｇを高濃度ドープすれば自励発振特性は得られるが、雰囲気温度に対する安定性は得られなかった。他方、可飽和吸収層１８中のＭｇ濃度を下げて雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する条件を検討したところ、表２に示されている様に、１×１０17／ｃｍ3以下の濃度がよいことが分かった。
【００４５】
【表２】
【００４６】
なお表２中で、○印は５ｍＷのＡＰＣ駆動において雰囲気温度０℃〜６０℃の全範囲で自励発振したことを表しており、×印は雰囲気温度０℃〜６０℃の内で一部の温度範囲内でしか自励発振しなかったことを表している。自励発振の有無は、高速の受光素子を介して高速のオシロスコープや電気スペアナにより観測している。また、光オシロスコープ等でも観測は可能である。
【００４７】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に本実施形態のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載されたレーザ素子の雑音は図４のブロック図に示されているような自動ノイズ測定器を用いて擬以的に測定され、相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）で評価された。
【００４８】
図４の自動ノイズ測定器は、基台３０１上に設置された窒化物半導体レーザ素子３０２、コリメートレンズ３０３、分岐素子３０４、対物レンズ３０５、戻り光量を調整するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター３０６、光検出器３０７、および反射鏡３０８などを含んでいる。
【００４９】
まず、光出力５ｍＷの状態における本実施形態のレーザ素子について、雰囲気温度２５℃で戻り光が０．１％〜１０％のときの雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３０［ｄＢ／Ｈｚ]であることが分かった。次に、雰囲気温度を０℃と６０℃のいずれにした場合にも、同様にＲＩＮｍａｘ＜−１３０［ｄＢ／Ｈｚ〕であり、本実施形態のレーザ素子は光情報記録装置の応用に適していることがわかった。
【００５０】
本実施形態１では可飽和吸収層１８がＡｌＧａＮ蒸発防止層１７とｐ-ＧａＮガイド層１９の間に挿入されているが、図５に示されているようにｐ-ＧａＮガイド層１９中に挿入されていてもよく、図６に示されているようにｐ-ＡｌＧａＮクラッド層２０中にあってもよく、または図７のバンドギャッププロファイル（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されているようにＩｎxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．０５）層中に挿入されていたり、その片側に接していてもよい。このような可飽和吸収層１８の位置を変えれば閉じ込め係数Γの変化が大きく、本発明におけるように非常に薄い可飽和吸収層１８を用いる場合には、それは活性層に近接させられることが望ましい。
【００５１】
可飽和吸収層の挿入位置について蒸発防止層１７と可飽和吸収層１８の間隔ｌ2で検討したところ、０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあればよいことがわかった。本実施形態１のように蒸発防止層１７が設けられている場合、活性層１６からのキャリアのオーバーフローが防げるので、活性層１６と可飽和吸収層１８が非常に近接していても、注入電流により可飽和吸収層１８が可飽和することはない。他方、ｌ2＞２００ｎｍの範囲になれば可飽和吸収層１８の閉じ込め係数が著しく減少し、可飽和吸収層の井戸層厚ｄ＝４．０ｎｍの条件のもとでは、微分利得が高くなるようにその成長条件を設定しても、レーザ素子の自励発振が得られることはなかった。
【００５２】
同様に、可飽和吸収層１８の挿入位置について活性層１６からの距離ｌ1で検討したところ、実施形態１で検討している蒸発防止層１７の条件のもとでは１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが望ましかった。
【００５３】
なお、活性層１６はＩｎＧａＮに限定されず、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮＡｓＰ、またはＩｎＧａＮＡｓＰなどであってもよいことは言うまでもなく、活性層中の井戸層数も可飽和吸収層１８が無い構造で良好な発振特性を示すのであれば問題を生じることがない。また、可飽和吸収層１８は隣接層の状態によって歪みが生じ、歪み単一量子井戸になる場合もあるが、前述のＰＬ波長の調整ができていれば問題を生じることがない。
【００５４】
また、可飽和吸収層１８に隣接するｐガイド１９やｐクラッド２０にＭｇを高濃度で添加した場合、拡散によって可飽和吸収層のＭｇ濃度が上昇してしまう場合もあるので、たとえば、ｐガイド１９やｐクラッド２０などのような隣接層において、可飽和吸収層１８との界面付近のＭｇ濃度を下げるような変調ドープがなされていてもよく、またはアンドープの層が挿入されてもよい。さらに、ｐガイド層１９自体がアンドープＧａＮであっても効果的であった。
【００５５】
なお、実施形態１ではＧａＮ基板が用いられたが、サファイア基板、ＳｉＣ基板、またはＳｉ基板等が用いられても効果が変わらないのは言うまでもない。このことは、他の実施形態においても同様である。
【００５６】
なお実施形態１ではＳｉＯ2の絶縁膜を用いたリッジ導波路構造が採用されているが、その絶縁膜の材質には特に制限がなくてＡｌ2Ｏ3やＴｉＯ2などであってもよい。また、レーザ素子構造が図８に示されているような埋めこみリッジ構造であったり、図９のような電流ブロック構造であったりしても、実施形態１で規定した活性層１６と可飽和吸収層１８の関係はほとんど変化しない。実際はレーザ素子構造によってモード形状が若干異なるために閉じ込め係数に差異が生じるが、前述のｌ1やｌ2の関係を大きく変えるほどではない。
【００５７】
簡単に図８の構造について説明すれば、このレーザ素子は、ｎ電極７０、ｎ−ＧａＮ基板７１、ｎ−ＧａＮ層７２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層７３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７４、ｎ−ＧａＮガイド層７５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層７７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層７８、ｐ−ＧａＮガイド層７９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８１、ｐ−ＧａＮコンタクト層８２、ｎ−ＡｌＧａＮ埋めこみ層８３、およびｐ電極８４を含んでいる。
【００５８】
図９の構造を説明すれば、このレーザ素子は、ｎ電極９０、ｎ−ＧａＮ基板９１、ｎ−ＧａＮ層９２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層９３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層９４、ｎ−ＧａＮガイド層９５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層９６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層９７、ｐ−ＧａＮガイド層９８、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層９９、ｐ−ＧａＮガイド層１００、ｎ−ＧａＮブロック層１０１、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０３、およびｐ電極１０４を含んでいる。
【００５９】
さらに、図１０に示されているように、レーザ素子端面にＨＲ（高反射膜）等のコーティングがなされていてもよい。図１０においては、窒化物半導体レーザ１２０、リッジ構造１２１、前面コーティング１２２、および後面コーテング１２３が示されている。前面コーテング１２２は、たとえば半導体レーザ１２０側からＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2の順の積層からなる５０％程度のＨＲコートであったり、半導体レーザ１２０側からＴｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2からなる低反射膜等であり得る。後面コーテング１２３は、たとえば半導体レーザ１２０側から（ＳｉＯ2／ＴｉＯ2）の３〜４ペアとＳｉＯ2の積層からなるようなＨＲ等であり得る。
【００６０】
＜実施形態２＞
図１１においては、本発明の実施形態２による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極３０、ｎ−ＧａＮ基板３１、ｎ−ＧａＮ層３２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、ｎ−ＧａＮガイド層３５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層３６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層３７、ｐ−ＧａＮガイド層３８、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層３９、ｐ−ＧａＮガイド層４０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４１、ｐ−ＧａＮコンタクト層４２、絶縁膜４３、およびｐ電極４４を含んでいる。
【００６１】
この実施形態２も、リッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。しかし、実施形態２における可飽和吸収層３９はＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
【００６２】
図１２においては、この可飽和吸収層３９の構成が示されており、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１１０とアンドープＧａＮバリア層１１１が交互に積層されている。なお、可飽和吸収層３９のＭｇ濃度は１×１０17／ｃｍ3以下である。
【００６３】
すなわち、実施形態２は実施形態１におけるＳＱＷからなる可飽和吸収層１８を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる可飽和吸収層３９に変更したものであり、その他の構成は実施形態１と同様である。
【００６４】
ＭＱＷ構造の可飽和吸収層３９の形成に際しては、ｐガイド層３８の堆積後に基板温度を７００℃に下げて、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１１０とＧａＮバリア層１１１を成長させた。そして、この井戸層１１０とバリア層１１１の形成プロセスを繰り返して、多重量子井戸構造が形成された。可飽和吸収層３９全体としては、ｐ−ガイド層３８上に井戸層／バリア層／井戸層／バリア層の順に積層された４層構造（２周期の井戸層を含む）を有していた。なお、バリア層１１１と井戸層１１０、または井戸層１１０とバリア層１１１との間に１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断時間が設けられてもよい。
【００６５】
井戸層１１０は吸収特性を考慮して１ｎｍの厚さにされ、バリア層１１１は３ｎｍの厚さにされた。なお、これらの層厚について検討したところでは、井戸層厚ｄは０.５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内にあることが好ましく、０.５ｎｍ≦ｄ≦２ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。また、ウエハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を利用して、活性層３６からのＰＬ発光ピーク波長と可飽和吸収層３９からのＰＬ発光ピーク波長とのエネルギ差が−０．１５ｅＶ〜０．０２ｅＶの範囲内になるようにして、これらの実質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整される。
【００６６】
以上のように製作された実施形態２の窒化物半導体レーザ素子について、諸特性が調べられた。ただし、レーザ素子のストライプ幅は１．５μｍであり、共振器長は６００μｍであった。このレーザ素子は室温２５℃において閾値電流３３ｍＡで連続発振し、その発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、そのレーザビームのフアーフィールドパターン（ＦＦＰ）はリップル等が無く、レンズ等で集光する際に問題を生じることもなかった。
【００６７】
さらに、実施形態２のレーザ素子について、実施形態１の場合と同様に光出力を５ｍＷに固定（ＡＰＣ駆動）して雰囲気温度を変えて調べたところ、０℃〜６０℃の温度範囲の全域で自励発振が確認された。
【００６８】
次に、可飽和吸収層３９の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性に及ぼす影響を調べた。実施形態１の場合と同様に検討したところ、一つの井戸層の厚さｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍにある場合に自励発振が観測されたが、０．５ｎｍ≦ｄ≦２．０ｎｍの範囲内にあればより好ましい。図１３のグラフは、井戸層数が異なる２つのサンプル素子において自励発振が観測された光出力の範囲を示している。サンプルaは井戸層厚ｄ＝３．０ｎｍで井戸数ｎ＝２であり、サンプルbは井戸層厚ｄ＝１．５ｎｍで井戸層数ｎ＝４にされている。ただし、それぞれの素子における可飽和吸収層の挿入位置などは同一条件である。すなわち、両サンプルａとｂにおいて、光閉じ込め係数はほぼ同様である。その結果、サンプルaでは４ｍＷ〜２２ｍＷにおいて自励発振が確認されたのに対して、サンプルbでは３ｍＷ〜３５ｍＷの広範囲において観測することができた。これは、井戸層厚ｄが薄くなれば線形傾斜利得が高くなって飽和しやすくなる効果とキャリア寿命が短くなる効果によって、高出力でも自励発振が停止しにくいことを示していると考えられる。
【００６９】
なお、井戸層数ｎを変更すれば自励発振が観測される最大光出力を変えることが可能になる。すなわち、高出力レーザでは可飽和吸収量を大きくする必要が生じるが、前述の検討から一つの井戸層厚ｄは０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍの範囲内にしなければならないので、可飽和吸収層の井戸層数ｎと挿入位置が調整されることになる。
【００７０】
光学情報記録装置が高倍速動作で使用される環境において、レーザ素子が最大光出力≦１００ｍＷの条件を満たせばほぼ問題を生じることがない。この条件で検討したところ、井戸層数ｎが２≦ｎ≦１０であって、活性層３６と可飽和吸収層３９の距離ｌ1を１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍとするか、または蒸発防止層３７と可飽和吸収層３９の距離ｌ2を０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍにすればよい。
【００７１】
ここで言う可飽和吸収層の井戸層数ｎとは、ＭＱＷ構造における量子井戸層の数であり、図１４のバンドギャッププロファイル（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）に示されているようにバリア層の層数と同じでもよいし異なっていてもよい。図１４に示した構造では、すべてのプロファイルにおいてｎ＝３である。
【００７２】
このような条件で作製された可飽和吸収層をもつ実施形態２の窒化物半導体レーザについて、実施形態１の場合と同様に、雰囲気温度の変化やＭｇ濃度が発振特性に及ぼす影響の検討を行った。その結果は、実施形態１の場合と同様であった。これらの影響は一つの井戸層に依存する効果と考えられ、Ｍｇ等のｐ型不純物濃度が１．０×１０17／ｃｍ3以下であれば０℃〜６０℃の全域において安定に自励発振特性が得られた。
【００７３】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に実施形態２のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載したときの雑音は、本実施形態２においても、実施形態１の場合と同様に自動ノイズ測定器（図４）を用いて擬以的に測定された。まず光出力５ｍＷにおいて、雰囲気温度が２５℃で戻り光が０．１％〜１０％の時の雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ］であることが分かった。また、高出力での雑音特性を調べるために光出力を２０ｍＷ程度にした場合でもＲＩＮｍａｘ＜−１３５〔ｄＢ／Ｈｚ］であり、光出力５ｍＷでは雰囲気温度０℃と６０℃のいずれにおいてもＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ〕が得られ、本実施形態２のレーザ素子は光ディスクシステム用に適していることがわかった。
【００７４】
なお、実施形態１の場合に類似して、可飽和吸収層３９は隣接層の状態によって歪みを生じて歪み多重量子井戸を含むことになる場合もあるが、前述のＰＬ波長の調整が出来ていれば問題を生じることがない。
【００７５】
＜実施形態３＞
実施形態３では、可飽和吸収層の成長条件を工夫することによって、良好な自励発振特性を得ている。すなわち、実施形態１に比べて可飽和吸収層の成長条件や状態に制限を設けることによって、その井戸層厚ｄが厚い条件でも自励発振特性が得られた。
【００７６】
図１５においては、本発明の実施形態３による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極５０、ｎ−ＧａＮ基板５１、ｎ−ＧａＮ層５２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層５３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５４、ｎ−ＧａＮガイド層５５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層５６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層５７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層５８、ｐ−ＧａＮガイド層５９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６０、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１、絶縁膜６２、およびｐ電極６３を含んでいる。
【００７７】
この実施形態３も、リッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。また、実施形態３における可飽和吸収層５８は、実施形態１の場合と同様に、ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有している。
【００７８】
本実施形態３においては、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法に対して適宜に限定が加えられた。すなわち、ＡｌＧａＮ蒸発防止層５７を降温しながら成長させ、比較的低い基板温度６８０℃でＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ可飽和吸収層５８を成長させた。また、ＴＭＩｎの流量を調整して比較的遅い成長速度Ｇ．Ｒ．＝０．０５ｎｍ／ｓで６ｎｍの厚さに成長させた。なお、Ｍｇは添加されていない。これに続いて、基板を昇温させながらｐ−ＧａＮガイド層５９を成長させる工程以降は、実施形態１と同様である。
【００７９】
このように製作された可飽和吸収層５８は、Ｉｎ組成むらの多いものとなった。たとえばＰＬ測定において、可飽和吸収層５８の発光パターンには多くの微細な輝点が生じた。また。活性層５６のＰＬ発光ピーク波長から＋２ｎｍ以上でフィルタリングして可飽和吸収層５８のＰＬ発光パターンを観測しても、同様な輝点が現れた。さらに、ＣＬ（カソードルミネッセンス）測定における可飽和吸収層５８の発光パターンにも、同様な輝点が現れた。これらの輝点の多くはＰＬ測定装置の分解能以下である１００ｎｍ以下の大きさであった。より詳細に観測するために、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を用いて下記のように調べた。
【００８０】
すなわち、半導体発光素子の積層構造の一部を切削してＴＥＭにより可飽和吸収層５８内部の結晶組織の構成を観察するための短冊状試料を作成し、一般的な透過電子顕微鏡を使用して、可飽和吸収層の断面ＴＥＭ像を加速電圧２００ｋＶで観察して撮影した。その結果、可飽和吸収層５８とｐ−ガイド層５９との界面に、直径約２ｎｍの略球状の結晶体がほぼ一様に分布していることが認められた。これらの結晶体が、ＣＬ測定によって観測された輝点に相当していると考えられる。
【００８１】
撮影したＴＥＭ断面像から可飽和吸収層５８内の結晶体の総数を計数したところ、横幅が２４ｎｍ、高さ（層厚に相当する）が約３ｎｍの撮像面積内において、５個程度であった。
【００８２】
また撮像する領域を変えて、ある面積の領域内において平均して含有される結晶体の数を求めたところ、一辺の長さを２４ｎｍとする正方形（面積＝５．８×１０-12ｃｍ2）内に含まれる結晶体の総数は２３個であった。すなわち、単位面積（1ｃｍ2）あたりの結晶体の総数に換算すれば４．０×１０12ｃｍ-2となる。一方、結晶体の中心間の平均距離は約４．８ｎｍであった。この結晶体間の平均距離である４．８ｎｍを一辺とする正方形（面積＝２．３×１０-13ｃｍ2）内に１個の結晶体が存在するとすれば、単位面積（1ｃｍ2）あたりの結晶体の総数に換算すれば４．３×１０12ｃｍ-2となり、これは一辺２４ｎｍの正方形領域中の結晶体数から求めた換算値とほぼ等しい。
【００８３】
上記ＴＥＭ試料の積層化されている断面を一般的な分析用電子顕微鏡で観察して、可飽和吸収層５８の内部の結晶構造が解析された。Ｉｎの濃度について行ったＥＰＭＡ(Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ‐Ａｎａｌｙｓｉｓ)の分析結果から、結晶体中には他の領域（すなわち母相の内部）に比べて多くのＩｎが含まれていることが認められた。母相からもＩｎの特性Ｘ線に起因すると推定される信号(ｓｉｇｎａｌ)が検知されたが、その濃度は可飽和吸収層の平均Ｉｎ濃度よりも５％以上低い値であった。これに対して、結晶体中のＩｎ濃度は可飽和吸収層の平均Ｉｎ濃度よりも５％以上高い値であり、最大で１０％以上高い値が検出された。検出されるＩｎのｋα特性Ｘ線の強度から判断すれば、結晶体の相互間にもＩｎ濃度の相違が％のオーダで存在することを教示する結果が得られたが、ＥＰＭＡ分析器の検出性能では、濃度の相違を正確に定量することはできなかった。また結晶体とその周囲の母相との境界には歪等によると思われる結晶格子の乱れた領域が存在した。
【００８４】
以上のようにして製作された実施形態３のレーザ素子の諸特性が調べられた。
レーザ素子の共振器長は５００μｍで、ストライプ幅は２．５μmであった。実施形態３のレーザ素子は室温２５℃において閾値電流４０ｍＡで連続発振し、その発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、レーザビームのフアーフィールドパターンはリップル等が無く、ビームをレンズ等で集光する際に問題を生じることはなかった。さらに、実施形態１の場合と同様に光出力を５ｍＷに固定したＡＰＣ駆動において、雰囲気温度０℃〜６０℃の全範囲において自励発振が確認された。
【００８５】
次に可飽和吸収層５８の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性に及ぼす影響が調べられた。井戸層厚ｄを変更すれば閉じ込め係数が変化し、たとえばｄを厚くすれば閉じ込め係数は増大する。その結果、可飽和吸収による吸収係数の変化量が大きくなってしまうので、活性層５６から可飽和吸収層５８までの距離ｌ 1 を調整することによって、可飽和吸収層１８の閉じ込め係数がほぼ一定に保たれるようにされた。その結果、図１６のグラフに示されているように、井戸層厚ｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０ｎｍの範囲内において自励発振が確認された。自励発振が確認された条件で雰囲気温度を０℃から６０℃まで変えて観測したところ、その全温度範囲において安定して自励発振していることがわかった。
【００８６】
なお、井戸層厚ｄ＜１．０ｎｍでは、可飽和吸収層の閉じ込め係数が小さくなりすぎるために吸収量が非常に小さくなり、自励発振が観測されなかった。また、井戸層厚ｄ＞１０ｎｍでも、自励発振が観測されなかった。この場合にＩ−Ｌ（注入電流-光出力）特性を測定したところ、発振後のＳＥ（微分効率）の立ちあがり時に急激な変化が見られた。この現象は可飽和効果によるものと考えられ、自励発振との差異が生じる原因は可飽和吸収層のキャリア寿命が異なるためであると考えられる。そして、このように自励発振が生じない現象は、可飽和吸収層のキャリア寿命が長いために生じると考えられる。
【００８７】
以上の検討から、井戸層厚ｄを薄くしていけばキャリア寿命は短くなると推測され、また可飽和しやすくなることがわかる。そして、実施形態１と比較して、実施形態３では井戸層厚ｄの許容範囲が非常に広くなった。前述のように可飽和吸収層５８にはＩｎ濃度のばらつきがあり、実効的な閉じ込め係数が小さくなった効果はキャリア寿命が短くなる効果がおきたからであると考えられる。
【００８８】
井戸層厚ｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０．０ｎｍの範囲の条件において実施形態３の窒化物半導体レーザを光ディスクなどの光学情報記録装置の光源として用いたところ、エラー等を生じることなく光ディスク上でデータの読み込みや書き込みが行うことができた。
【００８９】
さらに、実施形態１の場合と同様に、実施形態３においても可飽和吸収層５８のＭｇ濃度を種々に変化させるとともに雰囲気温度を変えることによって、自励発振特性に対する影響が調べられた。具体的には、Ｍｇ濃度を１．０×１０19／ｃｍ3に増大すれば吸収量が増大するので閉じ込め係数を調整したところ、２５℃雰囲気中で自励発振が確認された。しかし、温度を下げていけば自励発振が停止してしまい、また温度を上げたばあいには著しく発振閾値が上昇し、５ｍＷのＡＰＣ駆動で自励発振が確認されなかった。さらに光出力を上げると再び自励発振する場合もあったが、ＡＰＣ駆動で雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する素子は得られなかった。
【００９０】
このように、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層５８にＭｇを高濃度ドープすれば自励発振特性は得られるが、雰囲気温度に対する安定性は得られなかった。他方、Ｍｇ濃度を下げながら雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する条件を検討したところ、１．０×１０17／ｃｍ3以下の濃度がよいことが分かった。
【００９１】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に本実施形態３のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載されたレーザ素子の雑音は自動ノイズ測定器（図４）を用いて擬以的に測定された。まず光出力が５ｍＷのＡＰＣ駆動において、雰囲気温度が２５℃で戻り光が０．１％〜１０％のときの雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３５[ｄＢ／Ｈｚ］であることがわかった。また雰囲気温度が０℃と６０℃のいずれの場合でも、５ｍＷのＡＰＣ駆動においてＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ]が得られ、本実施形態のレーザ素子も光ディスクシステムへの応用に適していることがわかった。
【００９２】
さらに、本実施形態３のようにＩｎ濃度がばらついている可飽和吸収層５８において、自励発振に効果的な濃度ばらつき範囲を調べた。その濃度ばらつき具合はランダムであり、境界を設けることが難しいのであるが、概ねＰＬ発光スペクトルやＣＬ発光スペクトルにおける輝点の領域が装置の分解能以下の１００ｎｍ以下であって、ＴＥＭによる観測では１ｎｍ以上であればよい。また、Ｉｎ組成の混晶比の高い領域の分布密度が、１×１０11個／ｃｍ2以上であればよい。ところで、１００ｎｍ以上の比較的大きな輝点が支配的な場合、井戸層厚ｄ＝６．０ｎｍにおいては自励発振が観測されることはなかった。
【００９３】
このような可飽和吸収層５８を成長させる条件として、成長温度ＴをＴ≦７１０℃とし、成長速度Ｇ．Ｒ．をＧ．Ｒ．≦０．０７ｎｍ/ｓとすることがよかった。
【００９４】
実施形態３は、実施形態１における可飽和吸収層１８の成長条件に制限を設けることで可飽和吸収層５８の井戸層厚ｄの可能な範囲を拡大しているが、それ以外の条件は実施形態１に準じている。また実施形態３で用いた可飽和吸収層５８はＳＱＷ構造に限らず、実施形態２に準ずるＭＱＷ構造を含んでいてもよい。そのＭＱＷ構造においては、１つの井戸層厚ｄは１．０≦ｄ≦１０．０の範囲にあればよく、それ以外は実施形態２の条件に準ずる。
【００９５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定な自励発振特性を有する低雑音性の窒化物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】 本発明の実施形態１の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図２】 実施形態１の半導体レーザ素子における可飽和吸収層中の井戸層厚に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図３】 実施形態１の半導体レーザ素子における雰囲気温度に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図４】 自動ノイズ測定器を示す模式的なブロック図である。
【図５】 ｐ−ガイド層中に挿入された可飽和吸収層を含むレーザ素子の模式的な断面図である。
【図６】 ＩｎＧａＮ層に隣接する可飽和吸収層における模式的な断面図である。
【図７】 ｐ−クラッド層中に挿入された可飽和吸収層を含むレーザ素子の模式的なバンドギャッププロファイルである。
【図８】 埋め込みリッジ構造を有するレーザ素子の模式的な断面図である。
【図９】 電流ブロック構造を有するレーザ素子の模式的な断面図である。
【図１０】 レーザ素子における端面コーティングを示す模式的な斜視図である。
【図１１】 本発明の実施形態２の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図１２】 実施形態２における可飽和吸収層のＭＱＷ構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図１３】 実施形態２における自励発振特性を示すグラフである。
【図１４】 実施形態２において異なるバリア層数を含む可飽和吸収層における模式的なバンドギャッププロファイルである。
【図１５】 本発明の実施形態３の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図１６】 実施形態３の半導体レーザ素子における雰囲気温度に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図１７】 従来の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、７０、９０ ： ｎ電極
１１、３１、５１、７１、９１ ： ｎ−ＧａＮ基板
１２、３２、５２、７２、９２ ： ｎ−ＧａＮ層
１３、３３、５３、７３、９３ ： ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
１４、３４、５４、７４、９４ ： ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１５、３５、５５、７５、９５ ： ｎ−ＧａＮガイド層
１６、３６、５６、７６、９６ ： ｎ−ＩｎＧａＮ活性層
１７、３７、５７、７７、９７ ： ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層
３８、 ９８ ： ｐ−ＧａＮガイド層
１８、３９、５８、７８、９９ ： ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
１９、４０、５９、７９、１００： ｐ−ＧａＮガイド層
１０１： ｎ−ＧａＮブロック層
２０、４１、６０、８０、１０２： ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
８１ ： ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２１、４２、６１、８２、１０３： ｐ−ＧａＮコンタクト層
２２、４３、６２ ： 絶縁膜
８３ ： ｎ−ＡｌＧａＮ埋め込み層
２３、４４、６３、８４、１０４： ｐ電極
１１０ ： 井戸層
１１１ ： バリア層
１２０ ： 窒化物半導体レーザ
１２１ ： リッジ構造
１２２ ： 前面コーティング層
１２３ ： 後面コーティング層
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振特性を有する低雑音性の窒化物半導体レーザ素子とその製造方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の光ディスクシステム用の光源としては、高記録密度の実現のために、より集光径を小さくし得る短波長光源が用いられる。しかし、コスト削減や量産性の向上のために、光ディスクシステムにおけるレンズや光ディスクなどに安価なプラスチック系の光学材料を用いることが望まれ、そのような光学材料の吸収端の波長は約３９０ｎｍ近傍に存在する。したがって、光ディスクシステム用としては、４００ｎｍ程度の波長の光源が望ましい。このような短波長光源には窒化物半導体レーザ素子が用いられており、そのようなレーザ素子の代表的な材質は窒化ガリウム系化合物半導体である。なお、光源をさらに短波長化するためには光ディスクシステム中の光学材料の検討が必要になり、コストの上昇や量産性の低減になる恐れがある。
【０００３】
窒化物半導体レーザ素子において、光ディスクシステム等に用いる際に問題となる戻り光雑音を減少させるために、たとえば自励発振特性を生じ得る構造が用いられている。このような自励発振を伴う窒化物半導体レーザ素子を実現するために、可飽和吸収層がたとえばガイド層中またはクラッド層中などに挿入され得る。たとえば、特開平９−１９１１６０は、そのような可飽和吸収層を含む低雑音性半導体レーザ素子の一例として、図１７に示されているような構造を開示している。
【０００４】
図１７に示された窒化物半導体レーザ素子においては、ｎ型ＳｉＣ基板２００上に、ｎ型ＡｌＮ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０７が順次積層されている。そして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０６内には、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層２０８が挿入されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光ディスクシステムなどの光学情報記録装置が用いられる環境の温度は一定ではなく、０℃〜６０℃程度の温度範囲においてレーザ素子が安定に動作し得ることが望まれる。しかし、特開平９−１９１１６０に開示されているような可飽和吸収層を含む窒化物半導体レーザ素子では、その雑音が低温時と高温時に高くなって、光学情報記録装置の読出しや書込みの際にエラーを生じさせることがある。この原因を本発明者らが調べたところ、そのような低温時と高温時にレーザ素子の自励発振が停止していることが確認された。
【０００６】
一般的に、自励発振を生じ易くするためには可飽和吸収層内のキャリアの再結合時間は短いほうがよいことが知られており、本発明者の実験によれば１．５ｎｓ以下であることが望ましい。特開平９−１９１１６０においては、ＩｎＧａＮからなる可飽和吸収層に所定濃度以上のＭｇ（ｐ型不純物）を添加することによって、その再結合時間を短くする効果を得ている。しかし、本発明者らの検討によれば、この手法では温度に対する自励発振の安定性が不充分になることが分かった。
【０００７】
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、雰囲気温度の変化にかかわらず安定に自励発振する特性を実現することによって、光ディスク等からの戻り光に影響されずに低雑音で安定動作し得る窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様による窒化物半導体レーザ素子は、基板上において発光層、この発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層を含み、それらの発光層と可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えたレーザ素子であって、その可飽和吸収層が１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮからなり、可飽和吸収層は単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を含み、その可飽和吸収層に含まれる１つの井戸層の厚さｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍの範囲内にあり、蒸発防止層と可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴としている。
【００１０】
なお、発光層と可飽和吸収層の距離ｌ1 は、１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１１】
可飽和吸収層が多重量子井戸構造を含む場合には、その井戸層の数ｎが２≦ｎ≦１０の範囲内にあることが好ましい。
【００１２】
本発明の他の態様による窒化物半導体レーザ素子は、基板上において発光層、この発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層を含み、それらの発光層と可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えたレーザ素子であって、その可飽和吸収層が１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮからなり、可飽和吸収層にはＩｎ濃度の高い微小領域と低い微小領域が混在しており、Ｉｎ濃度の高い領域の平均径が１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲内にあってその領域分布密度が１×１０11個／ｃｍ2以上であり、可飽和吸収層における１つの井戸層の厚さｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０ｎｍの範囲内にあり、蒸発防止層と可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴としている。なお、発光層と可飽和吸収層の距離ｌ1は、１５ｎｍ≦
ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１３】
可飽和吸収層中でＩｎ濃度の高い微小領域と低い微小領域が混在している窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、その可飽和吸収層の成長温度ＴがＴ≦７１０℃の範囲内に設定され、その厚さ方向の成長速度Ｇ．Ｒ．がＧ．Ｒ．≦０．０７ｎｍ/ｓの範囲内にあることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
自励発振は半導体レーザ素子に注入されたキャリアによって反転分布が生じている利得領域と可飽和吸収層とのキャリアや光子の相互作用によって生じ、これはさまざまな物性値を適切に組み合わせることによってはじめて生じる。可飽和吸収層に要求される主な特性は、実質的なバンドギャップが活性層（利得領域）と比べて同じかまたは狭いこと、キャリア寿命が活性層と比べて短かくて約１．５ｎｓ以下であること、および可飽和吸収することなどである。なお、可飽和吸収するとは、光の吸収量が多くなれば吸収係数が減少する特性を有していることを意味している。
【００１５】
可飽和吸収層を利用した自励発振構造はＧａＡｓ系の半導体レーザではすでに知られているが、窒化物半導体レーザで自励発振を生じさせるには更なる検討が必要である。
【００１６】
窒化物半導体レーザの可飽和吸収層としての実質的なバンドギャップの調整はＩｎxＧａ1-xＮ混晶中のＩｎ混晶比ｘを調節することによって可能であり、たとえば層厚１ｎｍの場合には０．２２≦ｘ≦０．２６程度になるように設定すればよい。このように層厚が薄くなれば、量子効果によってＩｎの混晶比が上がったような効果を生じる。
【００１７】
窒化物半導体レーザでは、前述の可飽和吸収層のキャリア寿命と可飽和特性の条件を満たすことが非常に困難であった。特開平９−１９１１６０におけるように、窒化物半導体レーザの可飽和吸収層中の不純物濃度を上げてキャリア寿命を短くすることは、ＧａＡｓ系の半導体レーザの場合と同様に有効な手段である。他方、窒化物半導体の可飽和吸収層中ではキャリヤの有効質量が大きいために可飽和しにくいという問題もある。
【００１８】
ところで、自励発振レーザ素子を光源として用いるシステム、たとえば光情報記録装置などは一定の雰囲気温度中で動作させられる保証はなく、一般に０℃〜６０℃程度の広い温度範囲で安定動作する必要がある。このような温度領域で安定な自励発振特性を得るためには、可飽和吸収層のキャリア寿命が温度変化に対して安定である必要がある。雰囲気温度とは半導体レーザチップの置かれている環境の温度であるが、ペルチェ効果等で冷却している場合はそのチップが装着されているステム等の温度を意味する。キャリア寿命と可飽和しやすさは密接な関係があり、過度にキャリア寿命が短くなれば可飽和吸収層中のキャリア密度が増えにくくなり、吸収係数の変動が小さくなる。
【００１９】
一般に雰囲気温度一定の条件下では特開平９−１９１１６０におけるようにＭｇの高濃度ドープにより可飽和吸収層中のキャリア寿命を短くすることは自励発振を促進するために効果的であるが、０℃〜６０℃の温度範囲での自励発振の安定性のためには逆効果であることが本発明者らによる実験から明らかになった。ＩｎＧａＮ可飽和吸収層においては、高温になるほど不純物Ｍｇは活性化しやすくなるので、Ｍｇを高濃度で添加すれば高温時のキャリア寿命が短くなりすぎて可飽和吸収しにくくなり、低出力での自励発振が停止してしまう。このような背景から、温度変化に対して可飽和吸収層のキャリア寿命が安定であるためにはＭｇなどのｐ型不純物濃度が１．０×１０17／ｃｍ3以下であることが好ましく、他の手法を用いることによってキャリア寿命を短くすることが望まれる。
【００２０】
＜実施形態１＞
図１においては、本発明の実施形態１による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極１０、ｎ−ＧａＮ基板１１、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層１７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８、ｐ−ＧａＮガイド層１９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１、絶縁膜２２、およびｐ電極２３を含んでいる。
【００２１】
この図に示されているように、実施形態１はリッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。また、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８は、単量子井戸（ＳＱＷ)構造を有している。
【００２２】
以下において、図１を参照しつつ本実施形態１による半導体レーザ素子の製造方法を説明するが、本明細書中におけるエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長させる方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、およびＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法などを含む。
【００２３】
まず、ＧａＮ基板１１を形成する方法について述べる。厚さ５００μｍ程度のＧａＮ単結晶基礎基板の上面に数μｍ間隔で深さ１０から５０ｎｍ程度の溝(または丘）を設け、新たに厚さ４μｍ程度のＧａＮ層をエピタキシャル成長によつて積層する。この工程は基礎基板が含む貫通転移などの欠陥の引継ぎを低減させるためのものであり、その欠陥引継ぎの低減はＧａＮ単結晶基礎基板上の段差部の側壁から始まるＧａＮ層の横方向選択成長により可能になると考えられる。得られたＧａＮ基板１１の上面においては欠陥密度の高い領域と非常に少ない領域が基礎基板の溝（または丘）の周期に対応して周期的に繰り返して存在しており、レーザ構造は欠陥密度の少ない領域上に形成される。
【００２４】
次に、窒化物半導体レーザ素子を構成する種々の窒化ガリウム系半導体層をＧａＮ基板１１上にエピタキシャル成長させる方法について述べる。
【００２５】
まず、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａＮ基板１１をセットし、Ｖ族元素用原料のＮＨ3とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用いて、５５０℃の比較的低い基板温度でＧａＮバッファ層(図示せず）を２５ｎｍの厚さに成長させる。次に、１０７５℃の基板温度において、上述のＮＨ3とＴＭＧａを含む原料にＳｉＨ4を加えて、ｎ−ＧａＮ層１２（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を３μｍの厚さに形成する。続いて基板温度を７００℃〜８００℃程度に下げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ(トリメチルインジウム)を利用して、ｎ−Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１３を５０ｎｍの厚さに成長させる。再び基板温度を１０７５℃に上げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ(トリメチルアルミニウム）を利用して、厚さ０．９５μｍのｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長させ、続いてｎ−ＧａＮガイド層１５を０．１μｍの厚さに成長させる。
【００２６】
その後、基板温度を７３０℃に下げ、厚さ６ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎバリア層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層とを交互に含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層１６が成長させられる。本実施態様の発光層はバリア層で始まってバリア層で終わる積層構造を有し、３周期の井戸層を含んでいる。なお、バリア層と井戸層、または井戸層とバリア層との間に１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断時間を設けてもよい。このことによってバリア層と井戸層の平坦性が向上し、得られるレーザ素子の発光半値幅を減少させることができる。
【００２７】
次に基板を再び１０５０℃まで昇温して、厚さ１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層１７を成長させる。このとき、ｐ型不純物として、ＥｔＣｐ2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を利用して５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3のＭｇが添加される。
【００２８】
次に基板温度を７００℃に下げて、Ｉｎ0.22Ｇａ0.78ＮのＳＱＷからなる可飽和吸収層１８を成長させる。なお、このときにＭｇは添加されていない。また、可飽和吸収層１８は、その吸収特性を考慮して１．５ｎｍの厚さにされた。ウエハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を利用して、活性層１６からのＰＬ発光ピーク波長と可飽和吸収層１８からのＰＬ発光ピーク波長とのエネルギ差が−０．１５ｅＶ〜＋０．０２ｅＶ以内となるようにして、これらの層における実質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整される。なお、可飽和吸収層１８を積層後、１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断期間を設けてもよい。
【００２９】
続いて基板を再び１０５０℃まで昇温し、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮガイド層１９、厚さ０．５μｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０、および厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層２１を成長させる。このとき、ｐ型不純物として、Ｍｇが５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3の濃度で添加される。
【００３０】
なお、可飽和吸収層１８は隣接層からの拡散によってＭｇ等の不純物を含むこともあるが、その不純物濃度は１×１０17／ｃｍ3以下であった。
【００３１】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２１の形成後にドライエッチングによってリッジ構造を形成し、ＳｉＯ2の絶縁膜２２の開口部上にｐ電極２３（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層）を形成する。その後、ＧａＮ基板１１の裏面側から研磨またはエッチングによってその基板の一部を除去し、ウエハ全体の厚みを１００〜１８０μｍ程度にまで薄く調整する。これは、後でウエハを分割して個々のレーザチップにすることを容易にするための工程である。特に、レーザ端面ミラーもチップ分割時に形成する場合には、ウエハ厚さを８０〜１５０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。本実施形態においては、研削機と研磨機を用いてウエハの厚みを１２０μｍに調整した。なお、場合によっては研磨機のみを用いてウエハ厚さを調整してもよく、その場合はウエハの裏面は研磨機によって磨かれているので平らである。
【００３２】
ＧａＮ基板１１の研磨された裏面上に薄い金属膜を蒸著することによって、ｎ電極１０が形成される。このｎ電極１０は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕの積層構造からなっている。このような薄い金属膜を厚さの制御性よく形成するには真空蒸者法が適しており、本実施形態１においてもこの手法が用いられた。ただし、イオンプレーテイング法やスパック法等の他の手法を用いても良いことは言うまでもない。ｐ電極２３とｎ電極１０の特性向上のために金属膜蒸着後に５００℃でアニールが行われ、良好なオーミック電極が得られている。
【００３３】
以上のようにして調製されたウエハは、以下のような方法でチップ分割された。まず、ウエハ表面からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、適宜に力を加えて、スクライブラインに沿ってウエハを分割した。なお、スクライブラインをウエハ裏面から入れてもよいことは言うまでもない。他の手法としては、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れまたは切断を行うダイシング法、エキシマレーザ光などの照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせてこれをスクライブラインとするレーザスクライビング法、または高エネルギ密度レーザ光の照射部を蒸発させて溝入れ加工を行うレーザアブレーション法などを用いても同様にチップ分割が可能である。
【００３４】
その後、ダイボンディング法でレーザチップをヒートシンク上にマウントすることによって半導体レーザ装置が得られた。チップは、ｎ電極側を接合面にするジャンクションアップで強固に接合された。ここでいうヒートシンクは、ステム等のことを意味する。
【００３５】
このように製作された窒化物半導体レーザ装置の諸特性が調べられた。窒化物半導体レーザ装置における共振器長は５００μｍで、ストライプ幅は２μｍであった。また、室温２５℃において閾値３５ｍＡで連続発振し、発振波長は４０５±５ｎｍであった。さらに、フアーフィールドパターン（ＦＦＰ）にはリップル等が無く、ビームをレンズ等で集光する際に問題を生じることはなかった。次に光出力を５ｍＷに固定した自動電力制御（ＡＰＣ：オートパワーコントロール）駆動において、雰囲気温度を変えて自励発振の有無を調べたところ、表１に示されているように０℃〜６０℃の温度範囲の全域において自励発振が確認された。
【００３６】
【表１】
次に、可飽和吸収層１８の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性の変化が調べられた。井戸層厚ｄを変更すれば閉じ込め係数が変化し、たとえばｄを厚くすれば閉じ込め係数は増大する。その結果、可飽和吸収による吸収係数の変化量が大きくなってしまうので、活性層１６から可飽和吸収層１８までの距離ｌ 1 を調整することによって、可飽和吸収層１８の閉じ込め係数がほぼ一定に保たれるように調整された。その結果、図２に示されているように井戸層厚ｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内において自励発振が確認された。自励発振が確認された条件のもとで雰囲気温度を０℃から６０℃まで変えて観測したところ、安定して自励発振していることが分かった。ただし、ｄ≦１ｎｍの厚さ範囲では、可飽和吸収層は完全な層状でなくてドット（または島状）形状になっていてもよく、ドットの大きさは任意である。なお、ドット形状におけるｄの定義は、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像における最大膜厚とした。
【００３８】
他方、井戸層厚ｄ＜０．５ｎｍの範囲では、可飽和吸収層の閉じ込め係数が小さくなりすぎて吸収量が非常に小さくなり、自励発振が観測されなかった。また、井戸層厚ｄ＞４ｎｍの範囲でも、自励発振が観測されなかった。この場合に、Ｉ−Ｌ（注入電流-光出力）特性を測定したところ発振後のＳＥ（微分効率）の立ちあがり時に急激な変化が見られた。この現象は可飽和効果によるものと考えられ、自励発振との差異が生じる原因は可飽和吸収層のキャリア寿命が異なるためと考えられる。このように、自励発振が生じない現象は、可飽和吸収層のキャリア寿命が長いために生じると考えられる。
【００３９】
以上の検討から、井戸層厚ｄを薄くしていくとキャリア寿命は短くなると推測され、また可飽和しやすくなることがわかる。
【００４０】
井戸層厚ｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内おいて実施形態１の窒化物半導体レーザを光ディスクなどの光学情報記録装置の光源として用いたところ、エラー等を生じることなくなく、光ディスク上でデータの書き込みや読み出しを行うことができた。
【００４１】
また実施形態１にしたがった窒化物半導体レーザは、雰囲気温度が変化しても安定に自励発振する素子として得ることができた。図３のグラフ中で２つの実線に挟まれた範囲は実施形態１において雰囲気温度を変化させた時に自励発振の観測された出力範囲を示しており、２つの点線に挟まれた範囲は特開平９−１９１１６０に従った窒化物半導体レーザに関する結果を示している。
【００４２】
次に、可飽和吸収層１８に種々の濃度でＭｇを添加するとともに雰囲気温度を変えることによって、自励発振の有無が調べられた。具体的には、可飽和吸収層１８中のＭｇ濃度を１×１０19／ｃｍ3に増大して閉じ込め係数を調整したところ、２５℃の雰囲気中で自励発振が確認された。しかし、温度を下げていけば自励発振が停止してしまい、また温度を上げた場合には著しく発振閾値が上昇し、５ｍＷのＡＰＣ駆動で自励発振が確認されなかった。さらに光出力を上げれば再び自励発振するレーザ素子もあったが、雰囲気温度の変化に対してＡＰＣ駆動で安定に自励発振する素子は得られなかった。
【００４３】
光ディスク等の光学情報記録装置の光源として窒化物半導体レーザを用いる場合、それはＡＰＣ駆動で使用されるので、前述のように雰囲気温度の変化によって自励発振特性が変化するレーザ素子であっては、雑音が急激に増加する場合が生じるので使用できない。
【００４４】
このように、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８にＭｇを高濃度ドープすれば自励発振特性は得られるが、雰囲気温度に対する安定性は得られなかった。他方、可飽和吸収層１８中のＭｇ濃度を下げて雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する条件を検討したところ、表２に示されている様に、１×１０17／ｃｍ3以下の濃度がよいことが分かった。
【００４５】
【表２】
なお表２中で、○印は５ｍＷのＡＰＣ駆動において雰囲気温度０℃〜６０℃の全範囲で自励発振したことを表しており、×印は雰囲気温度０℃〜６０℃の内で一部の温度範囲内でしか自励発振しなかったことを表している。自励発振の有無は、高速の受光素子を介して高速のオシロスコープや電気スペアナにより観測している。また、光オシロスコープ等でも観測は可能である。
【００４７】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に本実施形態のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載されたレーザ素子の雑音は図４のブロック図に示されているような自動ノイズ測定器を用いて擬以的に測定され、相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）で評価された。
【００４８】
図４の自動ノイズ測定器は、基台３０１上に設置された窒化物半導体レーザ素子３０２、コリメートレンズ３０３、分岐素子３０４、対物レンズ３０５、戻り光量を調整するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター３０６、光検出器３０７、および反射鏡３０８などを含んでいる。
【００４９】
まず、光出力５ｍＷの状態における本実施形態のレーザ素子について、雰囲気温度２５℃で戻り光が０．１％〜１０％のときの雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３０［ｄＢ／Ｈｚ]であることが分かった。次に、雰囲気温度を０℃と６０℃のいずれにした場合にも、同様にＲＩＮｍａｘ＜−１３０［ｄＢ／Ｈｚ〕であり、本実施形態のレーザ素子は光情報記録装置の応用に適していることがわかった。
【００５０】
本実施形態１では可飽和吸収層１８がＡｌＧａＮ蒸発防止層１７とｐ-ＧａＮガイド層１９の間に挿入されているが、図５に示されているようにｐ-ＧａＮガイド層１９中に挿入されていてもよく、図６に示されているようにｐ-ＡｌＧａＮクラッド層２０中にあってもよく、または図７のバンドギャッププロファイル（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されているようにＩｎxＧａ1-xＮ（０＜x≦０．０５）層中に挿入されていたり、その片側に接していてもよい。このような可飽和吸収層１８の位置を変えれば閉じ込め係数Γの変化が大きく、本発明におけるように非常に薄い可飽和吸収層１８を用いる場合には、それは活性層に近接させられることが望ましい。
【００５１】
可飽和吸収層の挿入位置について蒸発防止層１７と可飽和吸収層１８の間隔ｌ2で検討したところ、０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあればよいことがわかった。本実施形態１のように蒸発防止層１７が設けられている場合、活性層１６からのキャリアのオーバーフローが防げるので、活性層１６と可飽和吸収層１８が非常に近接していても、注入電流により可飽和吸収層１８が可飽和することはない。他方、ｌ2＞２００ｎｍの範囲になれば可飽和吸収層１８の閉じ込め係数が著しく減少し、可飽和吸収層の井戸層厚ｄ＝４．０ｎｍの条件のもとでは、微分利得が高くなるようにその成長条件を設定しても、レーザ素子の自励発振が得られることはなかった。
【００５２】
同様に、可飽和吸収層１８の挿入位置について活性層１６からの距離ｌ1で検討したところ、実施形態１で検討している蒸発防止層１７の条件のもとでは１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍの範囲内にあることが望ましかった。
【００５３】
なお、活性層１６はＩｎＧａＮに限定されず、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮＡｓＰ、またはＩｎＧａＮＡｓＰなどであってもよいことは言うまでもなく、活性層中の井戸層数も可飽和吸収層１８が無い構造で良好な発振特性を示すのであれば問題を生じることがない。また、可飽和吸収層１８は隣接層の状態によって歪みが生じ、歪み単一量子井戸になる場合もあるが、前述のＰＬ波長の調整ができていれば問題を生じることがない。
【００５４】
また、可飽和吸収層１８に隣接するｐガイド１９やｐクラッド２０にＭｇを高濃度で添加した場合、拡散によって可飽和吸収層のＭｇ濃度が上昇してしまう場合もあるので、たとえば、ｐガイド１９やｐクラッド２０などのような隣接層において、可飽和吸収層１８との界面付近のＭｇ濃度を下げるような変調ドープがなされていてもよく、またはアンドープの層が挿入されてもよい。さらに、ｐガイド層１９自体がアンドープＧａＮであっても効果的であった。
【００５５】
なお、実施形態１ではＧａＮ基板が用いられたが、サファイア基板、ＳｉＣ基板、またはＳｉ基板等が用いられても効果が変わらないのは言うまでもない。このことは、他の実施形態においても同様である。
【００５６】
なお実施形態１ではＳｉＯ2の絶縁膜を用いたリッジ導波路構造が採用されているが、その絶縁膜の材質には特に制限がなくてＡｌ2Ｏ3やＴｉＯ2などであってもよい。また、レーザ素子構造が図８に示されているような埋めこみリッジ構造であったり、図９のような電流ブロック構造であったりしても、実施形態１で規定した活性層１６と可飽和吸収層１８の関係はほとんど変化しない。実際はレーザ素子構造によってモード形状が若干異なるために閉じ込め係数に差異が生じるが、前述のｌ1やｌ2の関係を大きく変えるほどではない。
【００５７】
簡単に図８の構造について説明すれば、このレーザ素子は、ｎ電極７０、ｎ−ＧａＮ基板７１、ｎ−ＧａＮ層７２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層７３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７４、ｎ−ＧａＮガイド層７５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層７７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層７８、ｐ−ＧａＮガイド層７９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８１、ｐ−ＧａＮコンタクト層８２、ｎ−ＡｌＧａＮ埋めこみ層８３、およびｐ電極８４を含んでいる。
【００５８】
図９の構造を説明すれば、このレーザ素子は、ｎ電極９０、ｎ−ＧａＮ基板９１、ｎ−ＧａＮ層９２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層９３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層９４、ｎ−ＧａＮガイド層９５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層９６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層９７、ｐ−ＧａＮガイド層９８、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層９９、ｐ−ＧａＮガイド層１００、ｎ−ＧａＮブロック層１０１、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０３、およびｐ電極１０４を含んでいる。
【００５９】
さらに、図１０に示されているように、レーザ素子端面にＨＲ（高反射膜）等のコーティングがなされていてもよい。図１０においては、窒化物半導体レーザ１２０、リッジ構造１２１、前面コーティング１２２、および後面コーテング１２３が示されている。前面コーテング１２２は、たとえば半導体レーザ１２０側からＳｉＯ2／ＴｉＯ2／ＳｉＯ2の順の積層からなる５０％程度のＨＲコートであったり、半導体レーザ１２０側からＴｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2からなる低反射膜等であり得る。後面コーテング１２３は、たとえば半導体レーザ１２０側から（ＳｉＯ2／ＴｉＯ2）の３〜４ペアとＳｉＯ2の積層からなるようなＨＲ等であり得る。
【００６０】
＜実施形態２＞
図１１においては、本発明の実施形態２による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極３０、ｎ−ＧａＮ基板３１、ｎ−ＧａＮ層３２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、ｎ−ＧａＮガイド層３５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層３６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層３７、ｐ−ＧａＮガイド層３８、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層３９、ｐ−ＧａＮガイド層４０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４１、ｐ−ＧａＮコンタクト層４２、絶縁膜４３、およびｐ電極４４を含んでいる。
【００６１】
この実施形態２も、リッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。しかし、実施形態２における可飽和吸収層３９はＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
【００６２】
図１２においては、この可飽和吸収層３９の構成が示されており、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１１０とアンドープＧａＮバリア層１１１が交互に積層されている。なお、可飽和吸収層３９のＭｇ濃度は１×１０17／ｃｍ3以下である。
【００６３】
すなわち、実施形態２は実施形態１におけるＳＱＷからなる可飽和吸収層１８を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる可飽和吸収層３９に変更したものであり、その他の構成は実施形態１と同様である。
【００６４】
ＭＱＷ構造の可飽和吸収層３９の形成に際しては、ｐガイド層３８の堆積後に基板温度を７００℃に下げて、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１１０とＧａＮバリア層１１１を成長させた。そして、この井戸層１１０とバリア層１１１の形成プロセスを繰り返して、多重量子井戸構造が形成された。可飽和吸収層３９全体としては、ｐ−ガイド層３８上に井戸層／バリア層／井戸層／バリア層の順に積層された４層構造（２周期の井戸層を含む）を有していた。なお、バリア層１１１と井戸層１１０、または井戸層１１０とバリア層１１１との間に１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断時間が設けられてもよい。
【００６５】
井戸層１１０は吸収特性を考慮して１ｎｍの厚さにされ、バリア層１１１は３ｎｍの厚さにされた。なお、これらの層厚について検討したところでは、井戸層厚ｄは０.５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍの範囲内にあることが好ましく、０.５ｎｍ≦ｄ≦２ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。また、ウエハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を利用して、活性層３６からのＰＬ発光ピーク波長と可飽和吸収層３９からのＰＬ発光ピーク波長とのエネルギ差が−０．１５ｅＶ〜０．０２ｅＶの範囲内になるようにして、これらの実質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整される。
【００６６】
以上のように製作された実施形態２の窒化物半導体レーザ素子について、諸特性が調べられた。ただし、レーザ素子のストライプ幅は１．５μｍであり、共振器長は６００μｍであった。このレーザ素子は室温２５℃において閾値電流３３ｍＡで連続発振し、その発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、そのレーザビームのフアーフィールドパターン（ＦＦＰ）はリップル等が無く、レンズ等で集光する際に問題を生じることもなかった。
【００６７】
さらに、実施形態２のレーザ素子について、実施形態１の場合と同様に光出力を５ｍＷに固定（ＡＰＣ駆動）して雰囲気温度を変えて調べたところ、０℃〜６０℃の温度範囲の全域で自励発振が確認された。
【００６８】
次に、可飽和吸収層３９の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性に及ぼす影響を調べた。実施形態１の場合と同様に検討したところ、一つの井戸層の厚さｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍにある場合に自励発振が観測されたが、０．５ｎｍ≦ｄ≦２．０ｎｍの範囲内にあればより好ましい。図１３のグラフは、井戸層数が異なる２つのサンプル素子において自励発振が観測された光出力の範囲を示している。サンプルaは井戸層厚ｄ＝３．０ｎｍで井戸数ｎ＝２であり、サンプルbは井戸層厚ｄ＝１．５ｎｍで井戸層数ｎ＝４にされている。ただし、それぞれの素子における可飽和吸収層の挿入位置などは同一条件である。すなわち、両サンプルａとｂにおいて、光閉じ込め係数はほぼ同様である。その結果、サンプルaでは４ｍＷ〜２２ｍＷにおいて自励発振が確認されたのに対して、サンプルbでは３ｍＷ〜３５ｍＷの広範囲において観測することができた。これは、井戸層厚ｄが薄くなれば線形傾斜利得が高くなって飽和しやすくなる効果とキャリア寿命が短くなる効果によって、高出力でも自励発振が停止しにくいことを示していると考えられる。
【００６９】
なお、井戸層数ｎを変更すれば自励発振が観測される最大光出力を変えることが可能になる。すなわち、高出力レーザでは可飽和吸収量を大きくする必要が生じるが、前述の検討から一つの井戸層厚ｄは０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍの範囲内にしなければならないので、可飽和吸収層の井戸層数ｎと挿入位置が調整されることになる。
【００７０】
光学情報記録装置が高倍速動作で使用される環境において、レーザ素子が最大光出力≦１００ｍＷの条件を満たせばほぼ問題を生じることがない。この条件で検討したところ、井戸層数ｎが２≦ｎ≦１０であって、活性層３６と可飽和吸収層３９の距離ｌ1を１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍとするか、または蒸発防止層３７と可飽和吸収層３９の距離ｌ2を０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍにすればよい。
【００７１】
ここで言う可飽和吸収層の井戸層数ｎとは、ＭＱＷ構造における量子井戸層の数であり、図１４のバンドギャッププロファイル（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）に示されているようにバリア層の層数と同じでもよいし異なっていてもよい。図１４に示した構造では、すべてのプロファイルにおいてｎ＝３である。
【００７２】
このような条件で作製された可飽和吸収層をもつ実施形態２の窒化物半導体レーザについて、実施形態１の場合と同様に、雰囲気温度の変化やＭｇ濃度が発振特性に及ぼす影響の検討を行った。その結果は、実施形態１の場合と同様であった。これらの影響は一つの井戸層に依存する効果と考えられ、Ｍｇ等のｐ型不純物濃度が１．０×１０17／ｃｍ3以下であれば０℃〜６０℃の全域において安定に自励発振特性が得られた。
【００７３】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に実施形態２のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載したときの雑音は、本実施形態２においても、実施形態１の場合と同様に自動ノイズ測定器（図４）を用いて擬以的に測定された。まず光出力５ｍＷにおいて、雰囲気温度が２５℃で戻り光が０．１％〜１０％の時の雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ］であることが分かった。また、高出力での雑音特性を調べるために光出力を２０ｍＷ程度にした場合でもＲＩＮｍａｘ＜−１３５〔ｄＢ／Ｈｚ］であり、光出力５ｍＷでは雰囲気温度０℃と６０℃のいずれにおいてもＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ〕が得られ、本実施形態２のレーザ素子は光ディスクシステム用に適していることがわかった。
【００７４】
なお、実施形態１の場合に類似して、可飽和吸収層３９は隣接層の状態によって歪みを生じて歪み多重量子井戸を含むことになる場合もあるが、前述のＰＬ波長の調整が出来ていれば問題を生じることがない。
【００７５】
＜実施形態３＞
実施形態３では、可飽和吸収層の成長条件を工夫することによって、良好な自励発振特性を得ている。すなわち、実施形態１に比べて可飽和吸収層の成長条件や状態に制限を設けることによって、その井戸層厚ｄが厚い条件でも自励発振特性が得られた。
【００７６】
図１５においては、本発明の実施形態３による窒化物半導体レーザ素子が、その共振器長に直交する断面図で示されている。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ電極５０、ｎ−ＧａＮ基板５１、ｎ−ＧａＮ層５２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層５３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５４、ｎ−ＧａＮガイド層５５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層５６、ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層５７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層５８、ｐ−ＧａＮガイド層５９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６０、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１、絶縁膜６２、およびｐ電極６３を含んでいる。
【００７７】
この実施形態３も、リッジストライプ構造を利用した屈折率導波路を有する半導体レーザ素子である。また、実施形態３における可飽和吸収層５８は、実施形態１の場合と同様に、ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有している。
【００７８】
本実施形態３においては、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法に対して適宜に限定が加えられた。すなわち、ＡｌＧａＮ蒸発防止層５７を降温しながら成長させ、比較的低い基板温度６８０℃でＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ可飽和吸収層５８を成長させた。また、ＴＭＩｎの流量を調整して比較的遅い成長速度Ｇ．Ｒ．＝０．０５ｎｍ／ｓで６ｎｍの厚さに成長させた。なお、Ｍｇは添加されていない。これに続いて、基板を昇温させながらｐ−ＧａＮガイド層５９を成長させる工程以降は、実施形態１と同様である。
【００７９】
このように製作された可飽和吸収層５８は、Ｉｎ組成むらの多いものとなった。たとえばＰＬ測定において、可飽和吸収層５８の発光パターンには多くの微細な輝点が生じた。また。活性層５６のＰＬ発光ピーク波長から＋２ｎｍ以上でフィルタリングして可飽和吸収層５８のＰＬ発光パターンを観測しても、同様な輝点が現れた。さらに、ＣＬ（カソードルミネッセンス）測定における可飽和吸収層５８の発光パターンにも、同様な輝点が現れた。これらの輝点の多くはＰＬ測定装置の分解能以下である１００ｎｍ以下の大きさであった。より詳細に観測するために、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）を用いて下記のように調べた。
【００８０】
すなわち、半導体発光素子の積層構造の一部を切削してＴＥＭにより可飽和吸収層５８内部の結晶組織の構成を観察するための短冊状試料を作成し、一般的な透過電子顕微鏡を使用して、可飽和吸収層の断面ＴＥＭ像を加速電圧２００ｋＶで観察して撮影した。その結果、可飽和吸収層５８とｐ−ガイド層５９との界面に、直径約２ｎｍの略球状の結晶体がほぼ一様に分布していることが認められた。これらの結晶体が、ＣＬ測定によって観測された輝点に相当していると考えられる。
【００８１】
撮影したＴＥＭ断面像から可飽和吸収層５８内の結晶体の総数を計数したところ、横幅が２４ｎｍ、高さ（層厚に相当する）が約３ｎｍの撮像面積内において、５個程度であった。
【００８２】
また撮像する領域を変えて、ある面積の領域内において平均して含有される結晶体の数を求めたところ、一辺の長さを２４ｎｍとする正方形（面積＝５．８×１０-12ｃｍ2）内に含まれる結晶体の総数は２３個であった。すなわち、単位面積（1ｃｍ2）あたりの結晶体の総数に換算すれば４．０×１０12ｃｍ-2となる。一方、結晶体の中心間の平均距離は約４．８ｎｍであった。この結晶体間の平均距離である４．８ｎｍを一辺とする正方形（面積＝２．３×１０-13ｃｍ2）内に１個の結晶体が存在するとすれば、単位面積（1ｃｍ2）あたりの結晶体の総数に換算すれば４．３×１０12ｃｍ-2となり、これは一辺２４ｎｍの正方形領域中の結晶体数から求めた換算値とほぼ等しい。
【００８３】
上記ＴＥＭ試料の積層化されている断面を一般的な分析用電子顕微鏡で観察して、可飽和吸収層５８の内部の結晶構造が解析された。Ｉｎの濃度について行ったＥＰＭＡ(Ｅｌｅｃｔｒｏ‐Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ‐Ａｎａｌｙｓｉｓ)の分析結果から、結晶体中には他の領域（すなわち母相の内部）に比べて多くのＩｎが含まれていることが認められた。母相からもＩｎの特性Ｘ線に起因すると推定される信号(ｓｉｇｎａｌ)が検知されたが、その濃度は可飽和吸収層の平均Ｉｎ濃度よりも５％以上低い値であった。これに対して、結晶体中のＩｎ濃度は可飽和吸収層の平均Ｉｎ濃度よりも５％以上高い値であり、最大で１０％以上高い値が検出された。検出されるＩｎのｋα特性Ｘ線の強度から判断すれば、結晶体の相互間にもＩｎ濃度の相違が％のオーダで存在することを教示する結果が得られたが、ＥＰＭＡ分析器の検出性能では、濃度の相違を正確に定量することはできなかった。また結晶体とその周囲の母相との境界には歪等によると思われる結晶格子の乱れた領域が存在した。
【００８４】
以上のようにして製作された実施形態３のレーザ素子の諸特性が調べられた。
レーザ素子の共振器長は５００μｍで、ストライプ幅は２．５μmであった。実施形態３のレーザ素子は室温２５℃において閾値電流４０ｍＡで連続発振し、その発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、レーザビームのフアーフィールドパターンはリップル等が無く、ビームをレンズ等で集光する際に問題を生じることはなかった。さらに、実施形態１の場合と同様に光出力を５ｍＷに固定したＡＰＣ駆動において、雰囲気温度０℃〜６０℃の全範囲において自励発振が確認された。
【００８５】
次に可飽和吸収層５８の井戸層厚ｄを変更して、自励発振特性に及ぼす影響が調べられた。井戸層厚ｄを変更すれば閉じ込め係数が変化し、たとえばｄを厚くすれば閉じ込め係数は増大する。その結果、可飽和吸収による吸収係数の変化量が大きくなってしまうので、活性層５６から可飽和吸収層５８までの距離ｌ 1 を調整することによって、可飽和吸収層１８の閉じ込め係数がほぼ一定に保たれるようにされた。その結果、図１６のグラフに示されているように、井戸層厚ｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０ｎｍの範囲内において自励発振が確認された。自励発振が確認された条件で雰囲気温度を０℃から６０℃まで変えて観測したところ、その全温度範囲において安定して自励発振していることがわかった。
【００８６】
なお、井戸層厚ｄ＜１．０ｎｍでは、可飽和吸収層の閉じ込め係数が小さくなりすぎるために吸収量が非常に小さくなり、自励発振が観測されなかった。また、井戸層厚ｄ＞１０ｎｍでも、自励発振が観測されなかった。この場合にＩ−Ｌ（注入電流-光出力）特性を測定したところ、発振後のＳＥ（微分効率）の立ちあがり時に急激な変化が見られた。この現象は可飽和効果によるものと考えられ、自励発振との差異が生じる原因は可飽和吸収層のキャリア寿命が異なるためであると考えられる。そして、このように自励発振が生じない現象は、可飽和吸収層のキャリア寿命が長いために生じると考えられる。
【００８７】
以上の検討から、井戸層厚ｄを薄くしていけばキャリア寿命は短くなると推測され、また可飽和しやすくなることがわかる。そして、実施形態１と比較して、実施形態３では井戸層厚ｄの許容範囲が非常に広くなった。前述のように可飽和吸収層５８にはＩｎ濃度のばらつきがあり、実効的な閉じ込め係数が小さくなった効果はキャリア寿命が短くなる効果がおきたからであると考えられる。
【００８８】
井戸層厚ｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０．０ｎｍの範囲の条件において実施形態３の窒化物半導体レーザを光ディスクなどの光学情報記録装置の光源として用いたところ、エラー等を生じることなく光ディスク上でデータの読み込みや書き込みが行うことができた。
【００８９】
さらに、実施形態１の場合と同様に、実施形態３においても可飽和吸収層５８のＭｇ濃度を種々に変化させるとともに雰囲気温度を変えることによって、自励発振特性に対する影響が調べられた。具体的には、Ｍｇ濃度を１．０×１０19／ｃｍ3に増大すれば吸収量が増大するので閉じ込め係数を調整したところ、２５℃雰囲気中で自励発振が確認された。しかし、温度を下げていけば自励発振が停止してしまい、また温度を上げたばあいには著しく発振閾値が上昇し、５ｍＷのＡＰＣ駆動で自励発振が確認されなかった。さらに光出力を上げると再び自励発振する場合もあったが、ＡＰＣ駆動で雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する素子は得られなかった。
【００９０】
このように、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層５８にＭｇを高濃度ドープすれば自励発振特性は得られるが、雰囲気温度に対する安定性は得られなかった。他方、Ｍｇ濃度を下げながら雰囲気温度の変化に対して安定に自励発振する条件を検討したところ、１．０×１０17／ｃｍ3以下の濃度がよいことが分かった。
【００９１】
次に、光ディスクなどの光学情報記録装置用の光源に本実施形態３のレーザ素子を用いた際の戻り光に対する雑音特性が調べられた。光ディスクシステムに搭載されたレーザ素子の雑音は自動ノイズ測定器（図４）を用いて擬以的に測定された。まず光出力が５ｍＷのＡＰＣ駆動において、雰囲気温度が２５℃で戻り光が０．１％〜１０％のときの雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜−１３５[ｄＢ／Ｈｚ］であることがわかった。また雰囲気温度が０℃と６０℃のいずれの場合でも、５ｍＷのＡＰＣ駆動においてＲＩＮｍａｘ＜−１３５［ｄＢ／Ｈｚ]が得られ、本実施形態のレーザ素子も光ディスクシステムへの応用に適していることがわかった。
【００９２】
さらに、本実施形態３のようにＩｎ濃度がばらついている可飽和吸収層５８において、自励発振に効果的な濃度ばらつき範囲を調べた。その濃度ばらつき具合はランダムであり、境界を設けることが難しいのであるが、概ねＰＬ発光スペクトルやＣＬ発光スペクトルにおける輝点の領域が装置の分解能以下の１００ｎｍ以下であって、ＴＥＭによる観測では１ｎｍ以上であればよい。また、Ｉｎ組成の混晶比の高い領域の分布密度が、１×１０11個／ｃｍ2以上であればよい。ところで、１００ｎｍ以上の比較的大きな輝点が支配的な場合、井戸層厚ｄ＝６．０ｎｍにおいては自励発振が観測されることはなかった。
【００９３】
このような可飽和吸収層５８を成長させる条件として、成長温度ＴをＴ≦７１０℃とし、成長速度Ｇ．Ｒ．をＧ．Ｒ．≦０．０７ｎｍ/ｓとすることがよかった。
【００９４】
実施形態３は、実施形態１における可飽和吸収層１８の成長条件に制限を設けることで可飽和吸収層５８の井戸層厚ｄの可能な範囲を拡大しているが、それ以外の条件は実施形態１に準じている。また実施形態３で用いた可飽和吸収層５８はＳＱＷ構造に限らず、実施形態２に準ずるＭＱＷ構造を含んでいてもよい。そのＭＱＷ構造においては、１つの井戸層厚ｄは１．０≦ｄ≦１０．０の範囲にあればよく、それ以外は実施形態２の条件に準ずる。
【００９５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定な自励発振特性を有する低雑音性の窒化物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】 本発明の実施形態１の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図２】 実施形態１の半導体レーザ素子における可飽和吸収層中の井戸層厚に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図３】 実施形態１の半導体レーザ素子における雰囲気温度に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図４】 自動ノイズ測定器を示す模式的なブロック図である。
【図５】 ｐ−ガイド層中に挿入された可飽和吸収層を含むレーザ素子の模式的な断面図である。
【図６】 ＩｎＧａＮ層に隣接する可飽和吸収層における模式的な断面図である。
【図７】 ｐ−クラッド層中に挿入された可飽和吸収層を含むレーザ素子の模式的なバンドギャッププロファイルである。
【図８】 埋め込みリッジ構造を有するレーザ素子の模式的な断面図である。
【図９】 電流ブロック構造を有するレーザ素子の模式的な断面図である。
【図１０】 レーザ素子における端面コーティングを示す模式的な斜視図である。
【図１１】 本発明の実施形態２の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図１２】 実施形態２における可飽和吸収層のＭＱＷ構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図１３】 実施形態２における自励発振特性を示すグラフである。
【図１４】 実施形態２において異なるバリア層数を含む可飽和吸収層における模式的なバンドギャッププロファイルである。
【図１５】 本発明の実施形態３の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【図１６】 実施形態３の半導体レーザ素子における雰囲気温度に対する自励発振特性の依存性を示すグラフである。
【図１７】 従来の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、７０、９０ ： ｎ電極
１１、３１、５１、７１、９１ ： ｎ−ＧａＮ基板
１２、３２、５２、７２、９２ ： ｎ−ＧａＮ層
１３、３３、５３、７３、９３ ： ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
１４、３４、５４、７４、９４ ： ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１５、３５、５５、７５、９５ ： ｎ−ＧａＮガイド層
１６、３６、５６、７６、９６ ： ｎ−ＩｎＧａＮ活性層
１７、３７、５７、７７、９７ ： ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層
３８、 ９８ ： ｐ−ＧａＮガイド層
１８、３９、５８、７８、９９ ： ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
１９、４０、５９、７９、１００： ｐ−ＧａＮガイド層
１０１： ｎ−ＧａＮブロック層
２０、４１、６０、８０、１０２： ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
８１ ： ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２１、４２、６１、８２、１０３： ｐ−ＧａＮコンタクト層
２２、４３、６２ ： 絶縁膜
８３ ： ｎ−ＡｌＧａＮ埋め込み層
２３、４４、６３、８４、１０４： ｐ電極
１１０ ： 井戸層
１１１ ： バリア層
１２０ ： 窒化物半導体レーザ
１２１ ： リッジ構造
１２２ ： 前面コーティング層
１２３ ： 後面コーティング層
Claims (6)
- 基板上において発光層、前記発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層をこの順序で含み、前記発光層と前記可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記可飽和吸収層は１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮ混晶からなり、
前記可飽和吸収層は単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を含み、その可飽和吸収層に含まれる１つの井戸層の厚さｄが０．５ｎｍ≦ｄ≦４．０ｎｍの範囲内にあり、
前記蒸発防止層と前記可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記発光層と前記可飽和吸収層の距離ｌ1が１５ｎｍ≦ｌ1≦２００ｎｍの範囲内に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。
- 前記可飽和吸収層は多重量子井戸構造を含み、前記井戸層の数ｎが２≦ｎ≦１０の範囲内に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。
- 基板上において発光層、前記発光層からのキャリアのオーバーフローを妨げる蒸発防止層、および光吸収が飽和する特性を有する可飽和吸収層をこの順序で含み、前記発光層と前記可飽和吸収層との相互作用による自励発振特性を備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記可飽和吸収層は１．０×１０17／ｃｍ3以下のｐ型不純物を含むＩｎＧａＮ混晶からなり、
前記可飽和吸収層にはＩｎ濃度の高い微小領域と低い微小領域が混在していて、Ｉｎ濃度の高い領域の平均径が１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲内にあってその領域分布密度が１×１０11個／ｃｍ2以上であり、
前記可飽和吸収層中における井戸層の１つの厚さｄが１．０ｎｍ≦ｄ≦１０ｎｍの範囲内にあり、
前記蒸発防止層と前記可飽和吸収層の距離ｌ2が０ｎｍ≦ｌ2≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 。
前記発光層と前記可飽和吸収層の距離ｌ 1 が１５ｎｍ≦ｌ 1 ≦２００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 請求項４または５に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記可飽和吸収層の成長温度ＴがＴ≦７１０℃の範囲内に設定され、
その厚さ方向の成長速度Ｇ．Ｒ．がＧ．Ｒ．≦０．０７ｎｍ/ｓの範囲内にあることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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