JP4785394B2

JP4785394B2 - 窒化物半導体レーザ素子

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Publication number: JP4785394B2
Application number: JP2005065324A
Authority: JP
Inventors: 佳伸川口; 俊之川上; 剛神川; 茂稔伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP2006253284A

Description

本発明は窒化物半導体レーザ素子に関し、特に高出力動作時における信頼性を改善した窒化物半導体レーザ素子に関する。

通常、半導体レーザ素子では、発振波長域において吸収係数が十分に小さい材料を用い、共振器端面の出射側には低反射膜、反射側には高反射膜をそれぞれ形成して共振器端面の反射率を制御することにより、所望のレーザ特性を得ている。これらの共振器端面に形成される低反射膜および高反射膜などの光学薄膜は、共振器端面の反射率を制御するという目的の他に、共振器端面が大気に触れないようにする保護膜としての働きがあることが一般に知られている。たとえば、共振器端面の反射側のみに高反射膜を形成し、出射側には光学薄膜を形成しない状態で半導体レーザを動作させた場合には、半導体レーザの動作時間の経過とともに、発光強度が低下するなどのレーザ特性の悪化が起こり、信頼性の点で極めて深刻な問題を引き起こす。

これに対し、共振器端面の反射側に高反射膜を形成し、出射側に低反射膜を形成した場合には、上述のように出射側に光学薄膜を形成しない場合に比べて、レーザ特性の悪化が起こるまでの半導体レーザ素子の動作時間が長くなって信頼性が改善される。これは、上述したように、光学薄膜が、共振器端面が大気に触れるのを防ぐ保護膜として機能することによるものと考えられる。

しかしながら、半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置の光源に用いる場合には、単に出射側および反射側の両方の共振器端面に光学薄膜を施すだけでは十分ではないと考えられている。

半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置の光源に用いる場合には、少なくとも６０℃の環境温度での３０ｍＷの光出力による連続発振（ＣＷ）を条件とする寿命試験において３０００時間以上安定して動作する要件を満たす必要がある。しかしながら、出射側および反射側の両方の共振器端面に光学薄膜を施した上述の半導体レーザ素子では、上述の寿命試験において１００時間程度で突然発振停止を起こしてしまい、十分な信頼性が得られないという問題があった。

そこで、特許文献１においては、突然の発振停止の原因が共振器端面と光学薄膜との間の密着力不足にあって、共振器端面と光学薄膜との間に密着性を向上させる密着層を形成することによって信頼性が向上させた窒化物半導体レーザ素子が開示されている。
特開２００２−３３５０５３号公報

特許文献１においては、密着層に用いるのに好ましい材料としてレーザ特性に悪影響を与えない程度に十分に薄い厚さのＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｎ（亜鉛）若しくはＳｉ（シリコン）などの金属またはこれらの金属と酸素などを含む材料を用いることが好ましい旨が記載されている。しかしながら、特許文献１には、これらの材料が共振器端面と光学薄膜との間の密着力を向上させる理由については記載されておらず、他の材料に関しても記載されていない。

また、半導体レーザ素子を光学式情報記録再生装置の光源に用いる場合に記録速度を高めるためにはさらなる高出力化が必要であるが、密着層として上述の材料を用いるのみでは高出力動作時における信頼性が実用レベルに達しないことも判明した。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高出力動作時における信頼性を改善した窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の１つの局面によれば、共振器端面と直接接する安定化層を含み、安定化層はＬａの酸化物からなる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。ここで、安定化層上に共振器端面の反射率を調節するための材料が形成されていることが好ましい。

また、本発明においては、共振器端面の反射率を調節するための材料として、−１７００ｋＪ／ｍｏｌ以下の酸化物生成エネルギーを有する酸化物を用いることができ、このような酸化物としてはたとえば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）がある。

本発明によれば、高出力動作時における信頼性を改善した窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

本発明の第１の局面による窒化物半導体レーザ素子は、共振器端面と直接接する安定化層を含み、安定化層はＬａ、Ｍｇ、Ｎｂ、ＶおよびＹからなる群から選択されたいずれか１種の金属からなることを特徴としている。このような構成とすることにより、窒化物半導体レーザ素子の高出力動作時における信頼性を改善することができる。

図１に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、窒化ガリウムからなる活性層１０４は共振器となっており、出射側の共振器端面１１ａおよび反射側の共振器端面１１ｂはそれぞれ劈開面となっている。そして、これらの共振器端面１１ａ、１１ｂにそれぞれ直接接する安定化層２０ａ、２０ｂとしてＬａ、Ｍｇ、Ｎｂ、ＶおよびＹからなる群から選択されたいずれか１種の金属層が形成されている。安定化層２０ａ、２０ｂはたとえば従来から公知の電子ビーム蒸着法やスパッタ法などを用いて形成されるが、その形成方法は特に限定されない。安定化層２０ａ、２０ｂは共振器端面１１ａ、１１ｂの主材料である窒化ガリウム（少量のＩｎおよび／またはＡｌを含んでいてもよい）と強く結合することによって、本発明の窒化物半導体レーザ素子は高出力動作時においても信頼性を損なうことなく動作する。

ここで、安定化層が高出力動作時の信頼性を改善するメカニズムについて詳細に述べる。高出力動作での寿命試験中に突然の発振停止が起こるのは、連続通電中に光学損傷（ＣＯＤ）によってＣＯＤレベル（発振可能な最大の光出力）が経時劣化して発振が不可能となるからである。ＣＯＤレベルの経時劣化の発生は、共振器端面と共振器端面上に形成された材料との間に存在する界面準位に起因する。すなわち、このような界面準位は非発光再結合や光吸収の原因となって、共振器端面における局所的な発熱を引き起こし、界面準位密度の増加に伴って発熱量を増加させ、ＣＯＤレベルを低下させる。この界面準位は、共振器端面の主材料である窒化ガリウムと共振器端面上に形成された材料との間で起こる、不純物を介した結合が主要因の一つとなって発生する。本発明における安定化層は、このような不純物を介した結合を排除して共振器端面の窒化ガリウムと優先的に、そして安定的に結合するので、界面準位密度の増加を抑制し、ＣＯＤレベルを維持することで信頼性の改善をもたらすのである。

続いて、窒化ガリウムとの結合の優先度および安定性を決める結合性について述べる。窒化ガリウムと結合するということは、窒化ガリウムの構成元素であるＧａ（ガリウム）およびＮ（窒素）のそれぞれに対して結合することを意味する。Ｇａとの結合性に関しては、Ｇａとの溶解エンタルピーが負の値をとり、かつ、その溶解エンタルピーの値が小さい元素ほど、Ｇａと優先的に、そして安定に結合する。その結果、窒化ガリウムとの結合性が高くなる。よって、そのような元素の存在は、窒化ガリウムとの密着性を高めることが期待される。種々の元素のＧａとの溶解エンタルピーの値を列記すると、Ｌａ：−１４２ｋＪ／ｍｏｌ、Ｍｇ：−１７ｋＪ／ｍｏｌ、Ｎｂ：−３４ｋＪ／ｍｏｌ、Ｖ：−３６ｋＪ／ｍｏｌ、Ｙ：−１４４ｋＪ／ｍｏｌ、Ｓｉ：−２ｋＪ／ｍｏｌおよびＡｌ：＋４ｋＪ／ｍｏｌである。したがって、ＳｉやＡｌに比べて、Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｂ、ＶおよびＹといった元素は、窒化ガリウムとの結合性が高くなることが期待される。

また、Ｎとの結合性に関しては、窒化物に関する標準生成エンタルピーが、窒化ガリウムの値より小さい元素ほど、窒化ガリウム中のＮと優先的に、そして安定に結合する。その結果、窒化ガリウムとの結合性が高くなる。よって、そのような元素の存在は、窒化ガリウムとの密着性を高めることが期待できる。種々の窒化物に関する標準生成エンタルピーの値を列記すると、ＬａＮ：−２９９．４ｋＪ／ｍｏｌ、ＭｇＮ：−４６１．８ｋＪ／ｍｏｌ、ＮｂＮ：−２４８．６ｋＪ／ｍｏｌ、ＶＮ：−２６４．５ｋＪ／ｍｏｌ、ＹＮ：−２９５．２ｋＪ／ｍｏｌ、ＧａＮ：−１０９．７ｋＪ／ｍｏｌであるので、Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｂ、ＶおよびＹといった元素は、窒化ガリウムとの結合性が高くなることが期待される。よって、ＧａとＮの両元素との結合性が高いと考えられるＬａ、Ｍｇ、Ｎｂ、ＶおよびＹは、著しく窒化ガリウムとの結合性が高く、窒化物半導体レーザ素子の共振器端面上に形成すると安定化層として機能し、高出力動作時における信頼性を改善できると考えられる。なお、安定化層の金属中には、微量の酸素や窒素などの他の元素が含まれていてもよい。

本発明においては、図２の模式的断面図に示すように、安定化層２０ａ、２０ｂの上に、共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂが形成されてもよい。安定化層２０ａ、２０ｂにおける光の吸収量を小さくするために安定化層２０ａ、２０ｂの厚みをある程度薄く形成する場合があるが、所望のレーザ特性が得られるような共振器端面の反射率に設定できないことがある。この場合、安定化層２０ａ、２０ｂの上に共振器端面の反射率を調節する材料２１ａ、２１ｂを形成して共振器端面の反射率を調節することができる。

共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとしては、安定化層２０ａ、２０ｂを構成する金属と同一種類の金属の酸化物を用いることが好ましい。この場合、安定化層２０ａ、２０ｂと共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとの間の結合が強固になるので高出力動作時における信頼性がより高まる。この場合、共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂの形成方法としては、たとえば従来から公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いることができる。さらに、安定化層２０ａ、２０ｂの表面に酸素プラズマを照射する、または高温状態で安定化層２０ａ、２０ｂの表面を酸素雰囲気に曝すなどといった方法で安定化層２０ａ、２０ｂの表面を酸化することによって、共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂを形成することも可能である。

また、共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとしては、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）なども用いることができる。これらの材料のうち、特に、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）または酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いることが好ましい。これらの材料を共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとして用いた場合には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や酸化チタン（ＴｉＯ₂）を用いた場合に比べて、高出力動作中のＣＯＤレベルの劣化を小さくすることができる傾向にあるためである。この理由については、各々の材料の酸化物生成エネルギーの違いが考えられる。すなわち、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の酸化物生成エネルギーはそれぞれ−２０５４．８ｋＪ／ｍｏｌ、−１７０１．２ｋＪ／ｍｏｌであるのに対して、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）と酸化チタン（ＴｉＯ₂）はそれぞれ−９２１．３ｋＪ／ｍｏｌ、−９５１．１ｋＪ／ｍｏｌである。酸化物生成エネルギーが負の値をとり、かつ、その値が小さい物質ほど酸化物として安定に存在できることから、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）は安定化層２０ａ、２０ｂとの間で相互拡散を起こさず、高出力動作中でも安定に存在できるため、ＣＯＤレベルの劣化が小さかったものと推測される。したがって、共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとしては、−１７００ｋＪ／ｍｏｌ以下の酸化物生成エネルギーを有する材料が好ましいと考えられる。

本発明の第２の局面による窒化物半導体レーザ素子は、共振器端面と直接接する図１に示す安定化層２０ａ、２０ｂは、ＬａまたはＹのいずれか一方の金属の酸化物からなる。窒化ガリウムとの結合性の観点からは、安定化層２０ａ、２０ｂ中の酸素は結合力を弱めるのだが、ＬａおよびＹにおいてはＧａとの溶解エンタルピーが極めて小さい（Ｌａ：−１４２ｋＪ／ｍｏｌ、Ｙ：−１４４ｋＪ／ｍｏｌ）ため、ＬａまたはＹのいずれか一方の金属の酸化物であっても安定化層２０ａ、２０ｂとして機能する。この場合には、安定化層２０ａ、２０ｂにおける光の吸収量が小さくなるので、安定化層２０ａ、２０ｂの膜厚を調節することで共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１を別途設けることなく、所望のレーザ特性を得ることができるようになる。ここで、ＬａまたはＹのいずれか一方の金属の酸化物の組成については特に限定されない。また、ＬａまたはＹのいずれか一方の金属の酸化物の形成方法としては、たとえば従来から公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法またはＣＶＤ法などを用いることができる。

また、本発明の第２の局面による窒化物半導体レーザ素子においても、図２に示すように、安定化層２０ａ、２０ｂ上に共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂを形成してもよいことは言うまでもない。ここで用いられる共振器端面の反射率を調節するための材料２１ａ、２１ｂとしては、たとえば上述した酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）または硫化亜鉛（ＺｎＳ）などを用いることができる。これらの材料のうち、特に、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）または酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を用いることが好ましいことは、本発明の第１の局面で述べた理由と同様である。

なお、上述した本発明のいずれの局面においても、安定化層２０ａ、２０ｂは、少なくとも出射側の共振器端面１１ａに形成されていればよく、反射側の共振器端面１１ｂには形成されていなくてもよい。ＣＯＤによる共振器端面の経時劣化は光密度の高い出射側の共振器端面１１ａで主に問題となるためである。

また、本発明においては、一般に知られている共振器端面のプラズマ照射などの各種クリーニングによる信頼性の改善手法を組み合わせることもできる。

（実施例１）
図３に、本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、厚さ１２０μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１と、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成された、ｎ型ＧａＮからなる厚さ１μｍの下地層１０２と、ｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_9.938Ｎからなる厚さ０．７μｍの第１下部クラッド層１１３と、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる厚さ０．１μｍの第２下部クラッド層１２３と、ｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_9.938Ｎからなる厚さ１．３μｍの第３下部クラッド層１３３と、ｎ型ＧａＮからなる厚さ０．０２μｍの下部光導波層１０４と、ｎ型Ｉｎ_0.005Ｇａ_0.995Ｎからなる厚さ８ｎｍの障壁層とＩｎ_0.09Ｇａ_0.91Ｎからなる厚さ４ｎｍの量子井戸層とからなる層を３層積層させた厚さ３６ｎｍの多重量子井戸構造の活性層１０５と、ｐ型Ａｌ_0.26Ｇａ_0.74Ｎからなる厚さ０．０１μｍのキャリアブロック層１０６と、中央部が中央部以外の部分より上方に突出したストライプ状の突出部を有する中央部の厚さが０．０３μｍであるｐ型ＧａＮからなる上部光導波層１０７と、上部光導波層１０７の突出部上に形成された厚さ０．４５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる上部クラッド層１０８と、上部クラッド層１０８上に形成されたｐ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのコンタクト層１０９と、上部光導波層１０７の突出部、上部クラッド層１０８およびコンタクト層１０９で構成されるリッジストライプ構造の両側に設けられたＳｉＯ₂からなる埋め込み層１１０と、厚さ５ｎｍのＴｉ層上に厚さ１５０ｎｍのＡｌ層を積層してなる負電極１１１と、厚さ２００ｎｍのＮｉ層上に厚さ１μｍのＡｕ層を積層してなる正電極１１２と、を備えている。

このような構成の本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子は以下のようにして製造された。

まず、（０００１）Ｃ面を結晶成長用面とするｎ型ＧａＮ基板１０１をアセトンとメタノールを用いて洗浄した（洗浄工程）。次に、洗浄したｎ型ＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素雰囲気中で１１００℃の高温でｎ型ＧａＮ基板１０１のクリーニングを行なった（清浄化工程）。

次いで、ｎ型ＧａＮ基板１０１の温度を１０５０℃まで降温した後に、ＭＯＣＶＤ装置内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１００μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄（モノシラン）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの流量で導入して下地層１０２を成長させた（下地層形成工程）。

下地層１０２の成長後、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの流量で導入しながらＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調節し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を導入した。そして、ＴＭＡの流量を調節することによって、第１下部クラッド層１１３としてのｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_9.938Ｎ層、第２下部クラッド層１２３としてのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層および第３下部クラッド層１３３としてのｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_9.938Ｎ層を順次成長させた（下部クラッド層形成工程）。

下部クラッド層形成工程の完了後、ＴＭＡの導入を停止し、かつＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎの流量に調節して、下部光導波層１０４としてｎ型ＧａＮ層を成長させた（下部光導波層形成工程）。

下部光導波層形成工程の完了後、ＴＭＧの導入を停止して、キャリアガスを水素ガス（Ｈ₂ガス）から窒素ガス（Ｎ₂ガス）に代えて、ｎ型ＧａＮ基板１０１の温度を７００℃まで降温した後に、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を一定量導入し、さらにＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入することによって、活性層１０５を構成する障壁層としてｎ型Ｉｎ_0.005Ｇａ_0.995Ｎ層を成長させた（障壁層形成工程）。

その後、ＳｉＨ₄の導入を停止し、かつＴＭＩの導入をある一定量にまで増加して、活性層１０５の量子井戸層としてＩｎ_0.09Ｇａ_0.91Ｎ層を成長させた（量子井戸層形成工程）。そして、上記の障壁層形成工程と量子井戸層形成工程とを繰り返して、上記の障壁層と上記の量子井戸層とを３層積層させた多重量子井戸構造の活性層１０５を成長させた（活性層形成工程）。

活性層形成工程の完了後、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＳｉＨ₄の導入を停止して、ｎ型ＧａＮ基板１０１の温度を１０５０℃まで昇温し、キャリアガスをＮ₂ガスからＨ₂ガスに代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で、ＴＭＡを適量およびｐ型不純物の原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎの流量で導入し、キャリアブロック層１０６としてｐ型Ａｌ_0.26Ｇａ_0.74Ｎ層を成長させた（キャリアブロック層形成工程）。

キャリアブロック層形成工程の完了後、ＴＭＡの導入を停止し、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調節して、上部光導波層１０７としてｐ型ＧａＮ層を成長させた（上部光導波層形成工程）。

上部光導波層形成工程の完了後、ＴＭＧの流量を５０μｍ／ｍｉｎに調節し、かつＴＭＡを一定量導入して、上部クラッド層１０８としてｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を成長させた（上部クラッド層形成工程）。

上部クラッド層形成工程の完了後、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調節し、かつＴＭＡの導入を停止して、コンタクト層１０９としてｐ型ＧａＮ層を成長させた（コンタクト層形成工程）。

コンタクト層形成工程の完了後、ＴＭＧおよびＣｐ₂Ｍｇの導入を停止し、かつＭＯＣＶＤ装置内の温度を室温まで降温して上記の複数の窒化物半導体層が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置から取り出した。

引き続き、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を用いて、個々の窒化物半導体レーザ素子の共振器の中央領域に所定のストライプ形状のリッジストライプ構造を形成するために、その中央領域の両側の側部領域下に積層されているコンタクト層１０９、上部クラッド層１０８および上部光導波層１０７をエッチングした（リッジストライプ形成工程）。

このとき、側部領域下においては、コンタクト層１０９および上部クラッド層１０８は完全にエッチングされ、上部光導波層１０７は適切な厚さまでエッチングされた。

その後、コンタクト層１０９上にＮｉ層およびＡｕ層を順次積層して正電極１１２を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にＴｉ層およびＡｌ層を順次積層して負電極１１１を形成した。

そして、上述のようにして作製された円板状のウエハをバー状に劈開して共振器端面を形成した。このように共振器端面が形成されたレーザバーを、出射側の共振器端面に安定化層を形成できるような向きで治具に取り付けた後、ＥＣＲプラズマスパッタ装置内の真空チャンバ内に設置し、真空チャンバ内を１．５×１０^-5Ｐａ程度になるまで排気した。排気が完了した後、レーザバーを２００℃に加熱して１０分間その温度で保持した。続いて、真空チャンバ内にアルゴンガス（Ａｒガス）を３０ｓｃｃｍの流量で導入し、５００Ｗの出力のＡｒプラズマを発生させた。

Ａｒプラズマが十分安定した後、プラズマ源とレーザバーとの間に設けられたシャッタを開いて、Ａｒプラズマをレーザバーの共振器端面に照射してプラズマクリーニングを行なった。１０分程度プラズマクリーニングを行った後、一度シャッタを閉じ、真空チャンバ内のＮｂからなるターゲットに５００Ｗの出力でＲＦ（高周波）を印加し、Ａｒプラズマをターゲットに向けて加速させた。そして、Ａｒプラズマが十分安定した後、再びシャッタを開いて、共振器端面にＮｂからなる安定化層を形成した。次いで、Ｎｂからなる安定化層を２．５ｎｍの厚さで形成した後にシャッタを閉じ、ＲＦの印加を停止した。

続いて、Ａｒガスに加えて５ｓｃｃｍの流量の酸素ガス（Ｏ₂ガス）を導入してプラズマを発生させた。プラズマが安定した後にＲＦを印加し、再度シャッタを開いて、Ｎｂからなる安定化層上に酸化ニオブ層を形成した。ここで、酸化ニオブ層の厚さは、出射側の共振器端面の反射率が１３％になるように設定された。

反射側の共振器端面に関しては、出射側の共振器端面と同様の手順で、プラズマクリーニングとＮｂからなる安定化層の形成を行った後、反射側の共振器端面の反射率が９５％になる厚さの酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）層と酸化チタン（ＴｉＯ₂）層の積層構造を形成した。

最後に、レーザバーをペレタイズによりチップ化して実施例１の窒化物半導体レーザ素子を完成させた。

図４に、上述のようにして作製された実施例１の窒化物半導体レーザ素子をレーザパッケージ内に実装して寿命試験を行なった結果を示す。図４において、横軸は窒化物半導体レーザ素子の動作時間を示し、縦軸はそれぞれの動作時間における駆動電流量を示している。ここで、寿命試験は、６０℃の環境温度で６０ｍＷの光出力による連続発振（ＣＷ）を条件として行なわれた。その結果、図４に示すように、実施例１の窒化物半導体レーザ素子については、６０ｍＷという高出力動作時において、６個すべての窒化物半導体レーザ素子が途中で発振停止を起こすことなく４００時間以上安定して発振できたことが確認された。

また、図５に、上述のようにして作製された実施例１の窒化物半導体レーザ素子をレーザパッケージ内に実装してＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す。ここで、ＣＯＤレベルの経時劣化は、所定の時間（０時間、２００時間、５００時間）だけ上記の寿命試験と同一の条件で連続発振させた後の実施例１の窒化物半導体レーザ素子のＣＯＤレベルを電流−光出力特性（ＤＣ駆動）を測定することによって行なった。図５において、横軸は窒化物半導体レーザ素子の連続発振時間を示し、縦軸は測定されたＣＯＤレベルを示している。そして、最小２乗近似法により得られた１次近似直線が図５中に示されている。ここで、Ｘを時間とし、ＹをＣＯＤレベルとすると、この直線はＹ＝−０．０５６Ｘ＋２０２の式で表わされた。

（比較例１）
Ｎｂからなる安定化層および酸化ニオブ層を共振器端面に形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして窒化物半導体レーザ素子（比較例１の窒化物半導体レーザ素子）を作製した。

そして、比較例１の窒化物半導体レーザ素子について、実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様にして寿命試験を行なった結果を図６に示す。図６に示すように、比較例１の窒化物半導体レーザ素子については、６０ｍＷという高出力動作時において６個中４個が途中で発振を停止した。

さらに、比較例１の窒化物半導体レーザ素子について、実施例１の窒化物半導体レーザ素子と同様にしてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を図７に示す。図７に示されているように、最小２乗近似法により得られた１次近似直線はＹ＝−０．１８Ｘ＋１９７の式（Ｘは時間を示し、ＹはＣＯＤレベルを示す）で表わされ、図５に示す実施例１の場合と比べてＣＯＤレベルの経時劣化が大きいことが確認された。

なお、上記において、ＣＯＤレベルの劣化率は図５および図７にそれぞれ示されている直線の傾きに相当するので、実施例１の窒化物半導体レーザ素子のように安定化層を形成することによって、安定化層を形成しない比較例１の窒化物半導体レーザ素子と比べて、ＣＯＤレベルの劣化率は６９％減少したことになる。

また、図７に示す直線から、比較例１の窒化物半導体レーザ素子のＣＯＤレベルは７６１時間の連続発振後には６０ｍＷまで低下すると予想される。したがって、図６では２個の比較例１の窒化物半導体レーザ素子が発振し続けているが、さらに発振し続けると７００〜８００時間程度で突然の発振停止を起こすものと考えられる。一方、安定化層が形成されている実施例１の窒化物半導体レーザ素子のＣＯＤレベルは、２０００時間の連続発振後でも９０ｍＷと予想され、２０００時間以上発振が停止することなく安定に動作するものと考えられる。

（実施例２）
実施例１と同様の手順によってレーザバーを形成し、このレーザバーをＥＣＲプラズマスパッタ装置内に設置してスパッタ法により出射側の共振器端面にＮｂからなる安定化層を２．５ｎｍの厚さで形成した。その後、ＥＣＲプラズマスパッタ装置からレーザバーを取り出し、このレーザバーを電子ビーム蒸着装置内に設置して、電子ビーム蒸着法により出射側の共振器端面の反射率が５％になる厚さに酸化アルミニウム層を形成した。

また、反射側の共振器端面については、安定化層を形成することなく電子ビーム蒸着装置内にレーザバーを設置して、電子ビーム蒸着法により反射側の共振器端面の反射率が９５％になる厚さに酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層と酸化チタン（ＴｉＯ₂）層の積層構造を形成した。その後、このレーザバーをチップ化することによって、実施例２の窒化物半導体レーザ素子を作製した。

図８に、上記のようにして作製された実施例２の窒化物半導体レーザ素子をレーザパッケージ内に実装して寿命試験を行なった結果を示す。図８において、横軸は窒化物半導体レーザ素子の動作時間を示し、縦軸はそれぞれの動作時間における駆動電流量を示している。ここで、寿命試験は、６０℃の環境温度で６０ｍＷの光出力による連続発振（ＣＷ）を条件として行なわれた。その結果、図８に示すように、実施例２の窒化物半導体レーザ素子については、６０ｍＷという高出力動作時において、４個すべての窒化物半導体レーザ素子が途中で発振停止を起こすことなく７００時間以上安定して発振できたことが確認された。

また、図９に、上記のようにして作製された実施例２の窒化物半導体レーザ素子をレーザパッケージ内に実装してＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す。調査法は実施例１と同様である。図９において、横軸は窒化物半導体レーザ素子の連続発振時間を示し、縦軸は測定されたＣＯＤレベルを示している。そして、最小２乗近似法により得られた１次近似直線が図９中に示されている。ここで、Ｘを時間とし、ＹをＣＯＤレベルとすると、この直線はＹ＝−０．０７６Ｘ＋２２０の式で表わされた。

（実施例３）
反射率を調節するための層として、酸化アルミニウム層ではなく酸化シリコン層を用いたこと以外は実施例２と同様にして窒化物半導体レーザ素子（実施例３の窒化物半導体レーザ素子）を作製した。

そして、実施例３の窒化物半導体レーザ素子について、実施例２の窒化物半導体レーザ素子と同様にして寿命試験を行なった結果を図１０に示す。図１０に示すように、実施例３の窒化物半導体レーザ素子についても、実施例２の窒化物半導体レーザ素子と同様に４個すべての窒化物半導体レーザ素子が途中で発振停止を起こすことなく７００時間以上安定して発振できたことが確認された。

続いて、実施例３の窒化物半導体レーザ素子について、実施例２の窒化物半導体レーザ素子と同様にしてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を図１１に示す。図１１に示されているように、最小２乗近似法により得られた１次近似直線はＹ＝−０．０９９Ｘ＋２１５の式（Ｘは時間を示し、ＹはＣＯＤレベルを示す）で表わされ、比較例１の窒化物半導体レーザ素子よりは、ＣＯＤレベルの経時劣化が小さいものの、図９に示す実施例２の場合と比べてＣＯＤレベルの経時劣化が大きいことが確認された。

なお、上記において、ＣＯＤレベルの劣化率は図９および図１１にそれぞれ示されている直線の傾きに相当するので、実施例２および実施例３の窒化物半導体レーザ素子は安定化層を形成することによって、いずれも安定化層を形成しない比較例１の窒化物半導体レーザ素子に比べて、ＣＯＤレベルの劣化率をそれぞれ５８％、４５％小さくすることができたが、共振器端面の反射率を調節するための層として酸化アルミニウム層を用いた実施例２の窒化物半導体レーザ素子の方が、酸化シリコン層を用いた実施例３の窒化物半導体レーザ素子よりもＣＯＤレベルの劣化率が小さくなった。これは、酸化シリコンに比べて酸化アルミニウムの方が、酸化物生成エネルギーが大きく、寿命試験中における安定化層との相互拡散が少なく、安定に存在できるためと考えられる。

このようにして作製された実施例２の窒化物半導体レーザ素子に関しても、出射側の共振器端面にＮｂからなる安定化層が形成されているため、安定化層が形成されていない比較例１の窒化物半導体レーザに比べて信頼性が改善され、また、共振器端面の反射率を調節するための層として酸化アルミニウム層が形成されているため、出射側の共振器端面にＮｂからなる安定化層が形成されているものの、共振器端面の反射率を調節するための層として酸化シリコン層が形成されている実施例３の窒化物半導体レーザ素子に比べて信頼性改善の効果が大きかった。

（実施例４）
実施例１と同様の手順によってレーザバーを形成し、このレーザバーを電子ビーム蒸着装置内に設置して電子ビーム蒸着法により出射側の共振器端面の反射率が１０％になる厚さに出射側の共振器端面に酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層を形成した。ここで、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層は、安定化層としての機能と出射側の共振器端面の反射率を調節する機能の双方を兼ね備えている。

続いて、反射側の共振器端面について電子ビーム蒸着法により酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層を形成した後に反射側の共振器端面の反射率が９５％になる厚さに酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層と酸化チタン（ＴｉＯ₂）層の積層構造を形成した。ここでも、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層は、安定化層としての機能と出射側の共振器端面の反射率を調節する機能の双方を兼ね備えている。その後、このレーザバーをチップ化することによって、実施例４の窒化物半導体レーザ素子を作製した。

このようにして作製された実施例４の窒化物半導体レーザ素子に関しても、出射側の共振器端面に酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）からなる安定化層が形成されているため、比較例１の窒化物半導体レーザ素子に比べて信頼性が大幅に改善された。

（実施例５）
実施例１と同様の手順によってレーザバーを形成し、このレーザバーを電子ビーム蒸着装置内に設置して電子ビーム蒸着法により出射側の共振器端面の反射率が１０％になる厚さに出射側の共振器端面に酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）層の積層構造を形成した。ここで、安定化層としては酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層が機能し、出射側の共振器端面の反射率の調節については酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）層と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）層の双方が機能する。

続いて、レーザバーをＥＣＲプラズマスパッタ装置内に設置し、反射側の共振器端面についてスパッタ法により反射側の共振器端面の反射率が９５％になる厚さに酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）層と酸化タンタル（ＴｉＯ₂）層の積層構造を形成した。その後、このレーザバーをチップ化することによって、実施例５の窒化物半導体レーザ素子を作製した。

このようにして作製された実施例５の窒化物半導体レーザ素子に関しても、出射側の共振器端面に酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）からなる安定化層が形成されているため、比較例１の窒化物半導体レーザ素子に比べて信頼性が大幅に改善された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層の好ましい一例の模式的な断面図である。本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層の好ましい他の一例の模式的な断面図である。本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子について寿命試験を行なった結果を示す図である。本発明の実施例１の窒化物半導体レーザ素子についてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す図である。比較例１の窒化物半導体レーザ素子について寿命試験を行なった結果を示す図である。比較例１の窒化物半導体レーザ素子についてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す図である。本発明の実施例２の窒化物半導体レーザ素子について寿命試験を行なった結果を示す図である。本発明の実施例２の窒化物半導体レーザ素子についてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す図である。本発明の実施例３の窒化物半導体レーザ素子について寿命試験を行なった結果を示す図である。本発明の実施例３の窒化物半導体レーザ素子についてＣＯＤレベルの経時劣化を調査した結果を示す図である。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ共振器端面、２０ａ、２０ｂ安定化層、２１ａ、２１ｂ共振器端面の反射率を調節する材料、１０１ｎ型ＧａＮ基板、１０２下地層、１１３第１下部クラッド層、１２３第２下部クラッド層、１３３第３下部クラッド層、１０４下部光導波層、１０５活性層、１０６キャリアブロック層、１０７上部光導波層、１０８上部クラッド層、１０９コンタクト層、１１０埋め込み層、１１１負電極、１１２正電極。

Claims

共振器端面と直接接する安定化層を含み、前記安定化層はＬａの酸化物からなることを特徴とする、窒化物半導体レーザ素子。
前記安定化層上に前記共振器端面の反射率を調節するための材料が形成されており、前記共振器端面の反射率を調節するための材料が、−１７００ｋＪ／ｍｏｌ以下の酸化物生成エネルギーを有する酸化物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。
前記酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。