JP4889142B2 - 窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる窒化物系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度かつ大容量の光ディスクシステムに用いられる記録または再生用の光源として、青色または紫色の光を発する窒化物系半導体レーザ素子の研究開発が行われている。
【０００３】
図１１は従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。
図１１に示す半導体レーザ素子は、サファイア基板８１のＣ（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、アンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層８４、ｎ−ＩｎＧａＮからなるクラック防止層８５、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６、ＩｎＧａＮからなる発光層８７、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１およびｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層９２が順に形成されてなる。
【０００４】
発光層８７は、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮ光ガイド層８８と、ＩｎＧａＮからなり多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＭＱＷ活性層８９と、ｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮ光ガイド層９０とが順に積層されてなる。
【０００５】
ｐ−ＧａＮコンタクト層９２からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の所定深さまでがエッチングにより除去されている。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層９２およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からなるストライプ状のリッジ部９３が形成されるとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１に平坦部が形成される。このリッジ部９３のｐ−ＧａＮコンタクト層９２上にｐ電極１３１が形成されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域がエッチングにより除去され、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４のｎ電極形成領域９４が露出している。この露出したｎ電極形成領域９４上にｎ電極１３２が形成されている。
【０００６】
リッジ部９３の両側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの側面、ならびにｎ電極１３２が形成された領域を除くｎ−ＧａＮコンタクト層８４上面にＳｉＯ2 等のＳｉ酸化物からなる絶縁膜９５が形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１の半導体レーザ素子においては、例えば従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子と比較して、発光層８７とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１との屈折率の差が約４分の１〜３分の１と小さい。このため、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光は、発光層８７に導波されにくい。
【０００８】
また、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光を閉じ込めるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の外側に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２の屈折率が、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１よりも大きくなるいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２に光が漏れる。
【０００９】
ここで、例えば、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の場合では、ＡｌＧａＡｓからなる活性層より発生したレーザ光に対して吸収のあるＧａＡｓのような吸収係数の大きな材料から構成されるコンタクト層は、クラッド層から漏れ出した光を吸収することが可能である。しかしながら、上記のようにＧａＮから構成されるｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２は、吸収係数が小さいため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１から染み出した光を吸収することができない。
【００１０】
以上のことから、上記の半導体レーザ素子においては、発光層８７に十分に光を導波することが困難であり、垂直横モードが高次モードになりやすく、安定した垂直基本横モードが得られにくい。
【００１１】
特に、この場合においては、ｐ型層９１，９２に比べて厚さが大きいサファイア基板８１側の層８２〜８６およびサファイア基板８１において、光の漏れ出しがより大きくなる。このため、サファイア基板８１側においては、より垂直横モードが高次モードになりやすい。
【００１２】
このように、上記の半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが困難であることから、しきい値電流の低減化を図ることが困難である。
【００１３】
一方、垂直横モードが高次モードになることを防止して安定な垂直基本横モードを得る方法としては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１のＡｌ組成を大きくする（例えば０．０７より大きくする）か、または、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４に数％のＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）方法がある。このような方法により、半導体レーザ素子において垂直基本横モードが得られやすくなる。
【００１４】
しかしながら、これらの場合においては、Ａｌ組成を大きくすることによって成長層にクラックが発生しやすくなり、その結果、素子の歩留まりが大きく低下してしまう。
【００１５】
ところで、上記の半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層８９は、ＧａＮやＡｌＧａＮに比べて格子定数が大きいＩｎＧａＮから構成される。このようなＩｎＧａＮから構成されるＭＱＷ活性層８９は、膜厚を大きくすると結晶性が劣化する。したがって、ＭＱＷ活性層８９の結晶性を劣化させないためには、ＭＱＷ活性層８９の厚さを数十Åと小さくする必要がある。
【００１６】
しかしながら、このようにＭＱＷ活性層８９の厚さを小さくした場合、発光層８７に特に光を導波しにくく、垂直横モードがさらに高次モードになりやすい。このため、半導体レーザ素子においてしきい値電流の低減化を図ることがより困難となる。
【００１７】
本発明の目的は、安定な垂直基本横モードを得ることが可能でありしきい値電流の低減化を図ることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体レーザ素子は、基板上に活性層を含む窒化物系半導体層が形成されてなる窒化物系半導体レーザ素子であって、基板は、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成されるものである。
【００１９】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成される基板が用いられているため、活性層から漏れ出した光を基板において吸収することが可能である。したがって、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。
【００２０】
それにより、上記の半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００２１】
また、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、窒化物系半導体層におけるクラックの発生を招くことなく垂直基本横モードを実現することが可能であるため、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
基板の少なくとも一部は活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成されてもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光を、活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される部分において吸収することが可能となる。
【００２５】
なお、ここで、活性層が障壁層および井戸層から構成される多重量子構造（ＭＱＷ構造）を有する場合においては、井戸層のバンドギャップを活性層のバンドギャップとする。
【００２６】
また、活性層はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成され、基板の少なくとも一部はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成されてもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮから構成される部分において吸収することが可能となる。
【００２７】
また、基板はＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが積層された超格子構造を有してもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となるとともに、基板と窒化物系半導体層との間に生じる歪みを緩和することが可能となる。
【００２８】
第２の発明に係る窒化物系半導体レーザ素子は、基板上に、第１の窒化物系半導体層と、活性層を含む第２の窒化物系半導体層とが形成されてなる窒化物系半導体レーザ素子であって、第１の窒化物系半導体層は活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成されるものである。
【００２９】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から第１の窒化物系半導体層が構成される。このため、活性層から漏れ出した光を第１の窒化物系半導体層において吸収することが可能となる。したがって、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。
【００３０】
それにより、上記の窒化物系半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、窒化物系半導体層におけるクラックの発生を招くことなく垂直基本横モードを実現することが可能であるため、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００３２】
【００３３】
【００３４】
第１の窒化物系半導体層は活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される層を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光を、活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される層において吸収することが可能となる。
【００３５】
なお、ここで、活性層が障壁層および井戸層から構成される多重量子構造（ＭＱＷ構造）を有する場合においては、井戸層のバンドギャップを活性層のバンドギャップとする。
【００３６】
また、活性層はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成され、第１の窒化物系半導体層はＩｎＧａＮ層を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【００３７】
また、第１の窒化物系半導体層はＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが積層された超格子構造を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。図１に示す半導体レーザ素子１００は、以下の方法により作製される。
【００３９】
半導体レーザ素子１００の作製時においては、まず、ＭｇがドープされたがＧａＮからなる厚さ１５０μｍのｐ−ＧａＮ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ２μｍのｐ−ＧａＮバッファ層２、ＭｇがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ１．０μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４、後述の発光層５、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６およびＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層７を順に成長させる。
【００４０】
この場合、図２に示すように、発光層５の成長時においては、まず、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層５１およびＭｇがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２を順に成長させる。
【００４１】
続いて、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３とＳｉがドープされたＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４とを交互に積層して多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層５７を成長させる。
【００４２】
なお、この場合においては、厚さ１００Åの４つのｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３と厚さ５０Åの３つのｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４とが交互に積層されてＭＱＷ活性層５７が構成されている。
【００４３】
上記のようにして形成したＭＱＷ活性層５７上にＳｉがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５を成長させ、さらにこのｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５上に、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層５６を成長させる。
【００４４】
以上のようにして、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５１、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２、ＭＱＷ活性層５７、ｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５およびｎ−ＧａＮ光ガイド層５６から構成される発光層５を形成する。
【００４５】
上記のように、半導体レーザ素子１００の作製時においては、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮ基板１を用いるとともに、このｐ−ＧａＮ基板１上にＭｇがドープされたｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４を成長させる。
【００４６】
ここで、通常、窒化物系半導体から構成される層および基板は肉眼では透明に見えるが、上記のようにＭｇがドープされた窒化物系半導体から構成されるｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４は、Ｍｇにより黒色をおびている。このようにＭｇがドープされて黒色をおびたｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４においては、可視光を吸収することが可能となる。
【００４７】
なお、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において上記のように光を吸収することが可能となるのは、Ｍｇをドープすることにより、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４のエネルギーバンド中に不純物準位が形成されるためであると考えられる。
【００４８】
上記のようにしてｐ−ＧａＮ基板１上に各層２〜７を成長させた後、ｎ−ＧａＮコンタクト層７からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層７およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００４９】
次に、ｐ−ＧａＮ基板１の結晶成長面と反対側の面にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。また、リッジ部側面およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の平坦部上面にＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜８を形成するとともに、リッジ部上面および絶縁膜８上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。
【００５０】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１００を作製する。
【００５１】
図３は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１００の各層２〜７およびｐ−ＧａＮ基板１の有する屈折率を示す模式図である。
【００５２】
なお、基板および各層がそれぞれ有する屈折率と、これらの基板および各層がそれぞれ有するエネルギーバンドギャップの幅との間には逆の関係が成り立つ。すなわち、屈折率が大きいものほどエネルギーバンドギャップの幅が小さく、屈折率が小さいものほどエネルギーバンドギャップの幅が大きい。
【００５３】
図３に示すように、半導体レーザ素子１００においては、ＭＱＷ活性層５７の屈折率とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の屈折率との差が小さい。このため、発光層５のＭＱＷ活性層５７において発生した光を発光層５内に十分に導波することが困難であり、発光層５からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４に光が漏れ出す。
【００５４】
なお、ここでは、ｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３およびｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４の厚みによる重み付けをした屈折率平均値をＭＱＷ活性層５７の屈折率と定義する。
【００５５】
また、半導体レーザ素子１００は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の外側に位置するｐ−ＧａＮバッファ層２がｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４からｐ−ＧａＮバッファ層２に光が漏れ出す。
【００５６】
特に、半導体レーザ素子１００においては、発光層５下方のｐ−ＧａＮ基板１側の層２〜４およびｐ−ＧａＮ基板１の厚さが大きいため、ｐ−ＧａＮ基板１側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【００５７】
ここで、半導体レーザ素子１００においては、前述のように、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４にＭｇがドープされておりｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において可視光を吸収することが可能である。このため、発光層５からｐ−ＧａＮ基板１側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において吸収することが可能となる。
【００５８】
このように、半導体レーザ素子１００においては、発光層５からｐ−ＧａＮ基板１側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において吸収することが可能となるため、発光層５からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１００においては安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００５９】
上記のように、この場合においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｐ−ＧａＮバッファ層２にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができるため、各層２〜７におけるクラックの発生を防止することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１００においては、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００６０】
なお、この場合、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４における光の吸収はあまり強くなくてもよい。通常、光吸収がある場合の光吸収係数は数千ｃｍ-1であるのに対して、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４全体における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４においても、十分に光の吸収を行うことが可能となり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【００６１】
なお、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において光吸収効果を得るために必要なＭｇのドープ濃度は、それぞれ１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3である。
【００６２】
ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４におけるＭｇのドープ濃度を高くすることによりｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、このようにＭｇのドープ濃度を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、Ｍｇにより、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【００６３】
ところで、ｐ−ＧａＮ基板１はＭＱＷ活性層５７から発生した光を吸収するため、ｐ−ＧａＮ基板１とＭＱＷ活性層５７との距離が小さい場合には、ｐ−ＧａＮ基板１での光吸収が増加し、半導体レーザ素子１００のしきい値を増加させるおそれがある。
【００６４】
しかしながら、半導体レーザ素子１００においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の厚さが１μｍと十分大きいため、ｐ−ＧａＮ基板１とＭＱＷ活性層５７とを十分に離すことができる。したがって、半導体レーザ素子１００においては、発光層５に導波される光が吸収されるのを防止し、かつ発光層５から漏れ出した光を吸収することが可能となる。
【００６５】
図４は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。図４に示す半導体レーザ素子１０１は、以下の方法により作製される。
【００６６】
半導体レーザ素子１０１の作製時においては、まず、厚さ３５０μｍのサファイア基板２０のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層２１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層２２、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ＭｇがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５、発光層２６、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮからなる厚さ０．４μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７およびＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層２８を順に成長させる。
【００６７】
なお、半導体レーザ素子１０１の発光層２６は、図２に示す半導体レーザ素子１００の発光層５と同様の構造を有する。
【００６８】
上記のように、半導体レーザ素子１０１の作製時においては、発光層２６下方のサファイア基板２０側に、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５を成長させる。
【００６９】
ここで、通常、窒化物系半導体から構成される層および基板は肉眼では透明に見えるが、上記のようにＭｇがドープされた窒化物系半導体から構成されるｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５は、Ｍｇにより黒色をおびている。このようにＭｇがドープされて黒色をおびたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５においては、可視光を吸収することが可能となる。
【００７０】
なお、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において上記のように光を吸収することが可能となるのは、Ｍｇをドープすることにより、これらの各層２３〜２５のエネルギーバンド中に不純物準位が形成されるためであると考えられる。
【００７１】
上記のようにしてサファイア基板２０上に各層２１〜２８を成長させた後、ｎ−ＧａＮコンタクト層２８からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層２８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００７２】
続いて、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の平坦部からｐ−ＧａＮコンタクト層２３までの一部領域をエッチングにより除去し、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３を露出させる。
【００７３】
次に、この露出したｐ−ＧａＮコンタクト層２３の所定領域上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。また、リッジ部のｎ−ＧａＮコンタクト層２８上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。
【００７４】
上記のようにして結晶成長および電極形成を行った後、サファイア基板２０の裏面を研磨してサファイア基板２０の厚さを１５０〜２００μｍとする。
【００７５】
さらに、リッジ部側面、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の平坦部上面、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７からｐ−ＧａＮコンタクト層２３までの側面、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３のｐ電極形成領域を除く領域上面およびｐ電極１６の所定領域上面に、ＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜７０を形成する。
【００７６】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０１を作製する。
【００７７】
図５は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０１の各層２１〜２８の有する屈折率を示す模式図である。
【００７８】
図５に示すように、半導体レーザ素子１０１においては、発光層２６の屈折率とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の屈折率との差が小さい。このため、発光層２６のＭＱＷ活性層５７において発生した光を発光層２６内に十分に導波することが困難であり、発光層２６からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５に光が漏れ出す。
【００７９】
また、半導体レーザ素子１０１は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の外側に位置するｐ−ＧａＮコンタクト層２３がｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５からｐ−ＧａＮコンタクト層２４に光が漏れ出す。
【００８０】
特に、半導体レーザ素子１０１においては、サファイア基板２０側、すなわち発光層２６下方の層２１〜２５およびサファイア基板２０の厚さが大きいため、サファイア基板２０側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【００８１】
ここで、半導体レーザ素子１０１においては、前述のように、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５にＭｇがドープされており、各層２３〜２５において可視光を吸収することが可能である。このため、発光層２６からサファイア基板２０側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において吸収することが可能となる。
【００８２】
このように、半導体レーザ素子１０１においては、発光層２６からサファイア基板２０側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において吸収することが可能となるため、発光層２６からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０１においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００８３】
上記のように、この場合においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｐ−ＧａＮコンタクト層２３にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０１においては、各層２〜７におけるクラックの発生を防止することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１００においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００８４】
なお、この場合、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５全体における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５においても、十分に光の吸収を行うことが可能となり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【００８５】
なお、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の各々において光吸収効果を得るために必要なＭｇのドープ濃度は、それぞれ１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3である。
【００８６】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５におけるＭｇのドープ濃度を高くすることにより各層２３〜２５においてより光の吸収を大きくすることが可能となる。しかしながら、このようにＭｇのドープ濃度を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、Ｍｇにより、各層２３〜２５において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【００８７】
なお、上記の半導体レーザ素子１０１において、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３の厚さは大きい方が好ましく、例えば１０〜２０μｍであることが好ましい。このように大きな厚さを有するｐ−ＧａＮコンタクト層２３においては、特に多くの光を吸収することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０１において、垂直横モードが高次モードとなることをより防止することが可能となる。
【００８８】
図６は本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。図６に示す半導体レーザ素子１０２は以下の方法により作製される。
【００８９】
半導体レーザ素子１０２の作製時においては、ｎ−ＡｌＧａＮ層とｎ−ＩｎＧａＮ層とを交互に複数積層してｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を作製する。
【００９０】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の作製の際には、まず、サファイア基板上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層および厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層を成長させる。そして、さらにこのアンドープＧａＮ層上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる厚さ５０Åのｎ−ＩｎＧａＮ層とＳｉがドープされたＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなる厚さ５０Åのｎ−ＡｌＧａＮ層とを１対として複数対積層し、厚さ１５０μｍまで成長させる。このようにしてｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造を形成した後、研磨によりサファイア基板、ＡｌＧａＮバッファ層およびアンドープＧａＮ層を除去する。以上のようにして、厚さ１５０μｍのｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を作製する。
【００９１】
ここで、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が、後述の発光層３５のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなるようにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層の組成を設定する。それにより、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層において、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側に漏れ出した光を吸収することが可能となる。
【００９２】
上記のようにして作製したｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１上に、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ２μｍのｎ−ＧａＮバッファ層３２、ＳｉがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ１．０μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、後述の発光層３５、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層３７を順に成長させる。
【００９３】
この場合、図７に示すように、発光層３５の成長時においては、まず、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層６１を成長させる。続いて、ｎ−ＧａＮ光ガイド層６１上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２とＳｉがドープされたＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３とを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層６６を成長させる。さらに、このＭＱＷ活性層６６上に、ＭｇがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層６４およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層６５を順に成長させる。
【００９４】
なお、この場合においては、厚さ１００Åの４つのｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２と厚さ５０Åの３つのｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３とが交互に積層されてＭＱＷ活性層６６が構成されている。
【００９５】
上記のようにしてｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１上に各層３２〜３７を成長させた後、ｐ−ＧａＮコンタクト層３７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６の所定領域深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層３７およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００９６】
次に、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の結晶成長面と反対側の面にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。また、リッジ部側面およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６の平坦部上面にＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜３８を形成するとともに、リッジ部上面および絶縁膜３８上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。
【００９７】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０２を作製する。
【００９８】
図８は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０２のｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１および各層３２〜３７の有する屈折率を示す模式図である。
【００９９】
図８に示すように、半導体レーザ素子１０２においては、ＭＱＷ活性層６６の屈折率とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の屈折率との差が小さい。このため、発光層３５のＭＱＷ活性層６６において発生した光を発光層３５内に十分に導波することが困難であり、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４に光が漏れ出す。
【０１００】
なお、ここでは、ｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２およびｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３の厚みによる重み付けをした屈折率平均値をＭＱＷ活性層６６の屈折率と定義する。
【０１０１】
また、半導体レーザ素子１０２は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の外側に位置するｎ−ＧａＮバッファ層３２がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４からｎ−ＧａＮバッファ層３２に光が漏れ出す。
【０１０２】
特に、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５下方のｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側の層３２〜３４およびｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の厚さが大きいため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【０１０３】
ここで、半導体レーザ素子１０２においては、前述のように、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が発光層３５のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなっているため、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能である。
【０１０４】
このように、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能であるため、発光層３５からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０２においては安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【０１０５】
上記のように、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｎ−ＧａＮバッファ層３２にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０２の各層３２〜３７においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１０６】
さらに、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１が超格子構造を有するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１と各層３２〜３７との間に生じる歪みが緩和されている。このため、半導体レーザ素子１０２においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１０７】
以上のように、半導体レーザ素子１０２においては各層３２〜３７におけるクラックの発生を防止することが可能となるため、このような半導体レーザ素子１０２においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【０１０８】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１においても、発光層３５から漏れ出した光を十分に吸収することが可能であり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【０１０９】
なお、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において、ｎ−ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を大きくすると、ｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅がより小さくなるため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、ｎ−ＩｎＧａＮのＩｎ組成が大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮの結晶性が劣化する。したがって、このようにＩｎの組成を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【０１１０】
ところで、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１はＭＱＷ活性層６６から発生した光を吸収するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１とＭＱＷ活性層６６との距離が小さい場合には、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１での光吸収が増加し、半導体レーザ素子１０２のしきい値を増加させるおそれがある。
【０１１１】
しかしながら、半導体レーザ素子１０２においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の厚さが１μｍと十分大きいため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１とＭＱＷ活性層６６とを十分に離すことができる。したがって、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５に導波される光がｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１に吸収されるのを防止し、かつ発光層３５から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能となる。
【０１１２】
なお、上記の半導体レーザ素子１０２においては、光の吸収効果を目的とするとともに歪み緩和効果を目的とするためにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を形成しているが、光吸収効果のみを目的とするのであれば、ｎ−ＩｎＧａＮ層が部分的に挿入された基板、例えば、厚さ０．２μｍ以下のｎ−ＩｎＧａＮ層がある程度の間隔で存在する構造を有する基板を形成すればよい。
【０１１３】
なお、ＩｎＧａＮは格子定数が大きいのでｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍより大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化する。したがって、ｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さは０．２μｍ以下であることが好ましい。
【０１１４】
例えば、ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造またはｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ超格子構造を有する基板を形成してもよい。また、基板は超格子構造以外の周期構造を有していてもよく、あるいは超格子構造および周期構造以外の構造であってもよい。この場合においても、基板が発光層から漏れ出した光を吸収することが可能であるため、安定な垂直基本横モードを得ることが可能となる。
【０１１５】
なお、ここでは１００Å以下の厚さの層が２００Å以下の周期で積層された積層構造を超格子構造としており、これ以外の範囲の厚さおよび周期の層が積層された積層構造を周期構造として超格子構造と区別している。
【０１１６】
なお、上記の半導体レーザ素子１０２においては、ｎ型の超格子基板を形成するとともにこの基板上にｎ型層およびｐ型層をこの順で形成する場合について説明したが、ｐ型の超格子基板を形成するとともにこの基板上にｐ型層およびｎ型層をこの順で形成してもよい。
【０１１７】
図９は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。図９に示す半導体レーザ素子１０３は、以下の方法により作製される。
【０１１８】
半導体レーザ素子１０３の作製時においては、まず、厚さ３５０μｍのサファイア基板４０のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層４１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層４２、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮからなる後述の厚さ５μｍのｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４４、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５、発光層４６、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層４８を順に成長させる。
【０１１９】
なお、半導体レーザ素子１０３の発光層４６は、図７に示す半導体レーザ素子１０２の発光層３５と同様の構造を有する。
【０１２０】
ここで、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が、発光層４６のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなるようにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層の組成を設定する。それにより、発光層４６からサファイア基板４０側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【０１２１】
上記のようにしてサファイア基板４０上に各層４１〜４８を成長させた後、ｐ−ＧａＮコンタクト層４８からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層４８およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【０１２２】
続いて、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層４４までの一部領域をエッチングにより除去してｎ−ＧａＮコンタクト層４４を露出させる。
【０１２３】
次に、この露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４４の所定領域上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。また、リッジ部のｐ−ＧａＮコンタクト層４８上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。
【０１２４】
上記のようにして結晶成長および電極形成を行った後、サファイア基板４０の裏面を研磨してサファイア基板４０の厚さを１５０〜２００μｍとする。
【０１２５】
さらに、リッジ部側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７からｎ−ＧａＮコンタクト層４４までの側面、ｎ−ＧａＮコンタクト層４４のｎ電極形成領域を除く領域上面およびｎ電極１５の所定領域上面に、ＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜７０を形成する。
【０１２６】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０３を作製する。
【０１２７】
図１０は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０３の各層４１〜４８の有する屈折率を示す模式図である。
【０１２８】
図１０に示すように、半導体レーザ素子１０３においては、発光層４６の屈折率とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５の屈折率との差が小さい。このため、発光層４６のＭＱＷ活性層６６において発生した光を発光層４６内に十分に導波することが困難であり、発光層４６からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５に光が漏れ出す。
【０１２９】
また、半導体レーザ素子１０３は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５の外側に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層４４がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５からｎ−ＧａＮコンタクト層４４に光が漏れ出す。
【０１３０】
特に、半導体レーザ素子１０３においては、サファイア基板４０側、すなわち発光層４６下方の層４１〜４５およびサファイア基板４０の厚さが大きいため、サファイア基板４０側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【０１３１】
ここで、半導体レーザ素子１０３においては、前述のように、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が発光層４６のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなっているため、発光層４６からサファイア基板４０側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において吸収することが可能である。
【０１３２】
このように、半導体レーザ素子１０３においては、発光層４６から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において吸収することが可能であるため、発光層４６からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０３においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【０１３３】
上記のように、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｎ−ＧａＮコンタクト層４４にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０３の各層４１〜４８においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１３４】
さらに、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３が超格子構造を有するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３と各層４１，４２，４５〜４８との間の歪みが緩和されている。このため、半導体レーザ素子１０３においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１３５】
以上のように、半導体レーザ素子１０２においては各層４１〜４８におけるクラックの発生を防止することが可能となるため、このような半導体レーザ素子１０３においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【０１３６】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係が小さなｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３においても、発光層４６から漏れ出した光を十分に吸収することが可能であり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【０１３７】
なお、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において、ｎ−ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を大きくすると、ｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅がより小さくなるため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、ｎ−ＩｎＧａＮのＩｎ組成が大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮの結晶性が劣化する。このため、このようにＩｎの組成を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【０１３８】
上記の半導体レーザ素子１０３においては、光の吸収効果を目的とするとともに歪み緩和効果を目的とするためにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３を形成しているが、光吸収効果のみを目的とするのであれば、ｎ−ＩｎＧａＮ層が部分的に挿入されたバッファ層、例えば、厚さ０．２μｍ以下のｎ−ＩｎＧａＮ層がある程度の間隔で存在する構造を有するバッファ層を形成すればよい。
【０１３９】
なお、ＩｎＧａＮは格子定数が大きいのでｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍより大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化する。したがって、ｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さは０．２μｍ以下であることが好ましい。
【０１４０】
例えば、ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造またはｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ超格子構造を有するバッファ層を形成してもよい。また、バッファ層は超格子構造以外の周期構造を有していてもよく、あるいは超格子構造および周期構造以外の構造であってもよい。この場合においても、基板が発光層から漏れ出した光を吸収することが可能であるため、安定な垂直基本横モードを得ることが可能となる。
【０１４１】
なお、ここでは１００Å以下の厚さの層が２００Å以下の周期で積層された積層構造を超格子構造としており、これ以外の範囲の厚さおよび周期の層が積層された積層構造を周期構造として超格子構造と区別している。
【０１４２】
また、上記の半導体レーザ素子１０３においては、サファイア基板上にｎ型層およびｐ型層がこの順で形成される場合について説明したが、サファイア基板上にｐ型層およびｎ型層がこの順で形成されてもよい。
【０１４３】
上記の半導体レーザ素子１００〜１０３の各層の組成は上記に限定されるものではなく、各層は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半導体から構成されていればよい。
【０１４４】
また、半導体レーザ素子１０１，１０３においてはサファイア基板２０，４０を用いているが、サファイア基板２０，４０の代わりにＳｉ基板、ＳｉＣ基板等を用いてもよい。
【０１４５】
さらに、上記においては、本発明をリッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子に適用する場合について説明したが、本発明をセルフアライン型構造を有する半導体レーザ素子に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】 図１の半導体レーザ素子の発光層の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】 図１の半導体レーザ素子の基板および各層の屈折率を示す模式図である。
【図４】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５】 図４の半導体レーザ素子の各層の屈折率を示す模式図である。
【図６】 本発明に係る半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図７】 図６の半導体レーザ素子の発光層の構造を示す模式的な断面図である。
【図８】 図６の半導体レーザ素子の基板および各層の屈折率を示す模式図である。
【図９】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１０】 図９の半導体レーザ素子の各層の屈折率を示す模式図である。
【図１１】 従来の半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ ｐ−ＧａＮ基板
２ ｐ−ＧａＮバッファ層
３，２４，３３ ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層
４，２５，３６，４７ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
５，２６，３５，４６ 発光層
６，２７，３４，４５ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
７，２８，４４ ｎ−ＧａＮコンタクト層
８，３８，７０ 絶縁膜
１５ ｎ電極
１６ ｐ電極
２０ サファイア基板
２１ ＡｌＧａＮバッファ層
２３，３７，４８ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１００〜１０３ 半導体レーザ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる窒化物系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度かつ大容量の光ディスクシステムに用いられる記録または再生用の光源として、青色または紫色の光を発する窒化物系半導体レーザ素子の研究開発が行われている。
【０００３】
図１１は従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。
図１１に示す半導体レーザ素子は、サファイア基板８１のＣ（０００１）面上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、アンドープのＡｌＧａＮからなるバッファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層８４、ｎ−ＩｎＧａＮからなるクラック防止層８５、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６、ＩｎＧａＮからなる発光層８７、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１およびｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層９２が順に形成されてなる。
【０００４】
発光層８７は、ｎ−ＧａＮからなるｎ−ＧａＮ光ガイド層８８と、ＩｎＧａＮからなり多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＭＱＷ活性層８９と、ｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮ光ガイド層９０とが順に積層されてなる。
【０００５】
ｐ−ＧａＮコンタクト層９２からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の所定深さまでがエッチングにより除去されている。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層９２およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からなるストライプ状のリッジ部９３が形成されるとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１に平坦部が形成される。このリッジ部９３のｐ−ＧａＮコンタクト層９２上にｐ電極１３１が形成されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域がエッチングにより除去され、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４のｎ電極形成領域９４が露出している。この露出したｎ電極形成領域９４上にｎ電極１３２が形成されている。
【０００６】
リッジ部９３の両側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの側面、ならびにｎ電極１３２が形成された領域を除くｎ−ＧａＮコンタクト層８４上面にＳｉＯ2 等のＳｉ酸化物からなる絶縁膜９５が形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１の半導体レーザ素子においては、例えば従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子と比較して、発光層８７とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１との屈折率の差が約４分の１〜３分の１と小さい。このため、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光は、発光層８７に導波されにくい。
【０００８】
また、発光層８７のＭＱＷ活性層８９において発生した光を閉じ込めるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１の外側に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２の屈折率が、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１よりも大きくなるいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１からｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２に光が漏れる。
【０００９】
ここで、例えば、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の場合では、ＡｌＧａＡｓからなる活性層より発生したレーザ光に対して吸収のあるＧａＡｓのような吸収係数の大きな材料から構成されるコンタクト層は、クラッド層から漏れ出した光を吸収することが可能である。しかしながら、上記のようにＧａＮから構成されるｎ−ＧａＮコンタクト層８４およびｐ−ＧａＮコンタクト層９２は、吸収係数が小さいため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１から染み出した光を吸収することができない。
【００１０】
以上のことから、上記の半導体レーザ素子においては、発光層８７に十分に光を導波することが困難であり、垂直横モードが高次モードになりやすく、安定した垂直基本横モードが得られにくい。
【００１１】
特に、この場合においては、ｐ型層９１，９２に比べて厚さが大きいサファイア基板８１側の層８２〜８６およびサファイア基板８１において、光の漏れ出しがより大きくなる。このため、サファイア基板８１側においては、より垂直横モードが高次モードになりやすい。
【００１２】
このように、上記の半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが困難であることから、しきい値電流の低減化を図ることが困難である。
【００１３】
一方、垂直横モードが高次モードになることを防止して安定な垂直基本横モードを得る方法としては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８６およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９１のＡｌ組成を大きくする（例えば０．０７より大きくする）か、または、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４に数％のＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）方法がある。このような方法により、半導体レーザ素子において垂直基本横モードが得られやすくなる。
【００１４】
しかしながら、これらの場合においては、Ａｌ組成を大きくすることによって成長層にクラックが発生しやすくなり、その結果、素子の歩留まりが大きく低下してしまう。
【００１５】
ところで、上記の半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層８９は、ＧａＮやＡｌＧａＮに比べて格子定数が大きいＩｎＧａＮから構成される。このようなＩｎＧａＮから構成されるＭＱＷ活性層８９は、膜厚を大きくすると結晶性が劣化する。したがって、ＭＱＷ活性層８９の結晶性を劣化させないためには、ＭＱＷ活性層８９の厚さを数十Åと小さくする必要がある。
【００１６】
しかしながら、このようにＭＱＷ活性層８９の厚さを小さくした場合、発光層８７に特に光を導波しにくく、垂直横モードがさらに高次モードになりやすい。このため、半導体レーザ素子においてしきい値電流の低減化を図ることがより困難となる。
【００１７】
本発明の目的は、安定な垂直基本横モードを得ることが可能でありしきい値電流の低減化を図ることが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体レーザ素子は、基板上に活性層を含む窒化物系半導体層が形成されてなる窒化物系半導体レーザ素子であって、基板は、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成されるものである。
【００１９】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成される基板が用いられているため、活性層から漏れ出した光を基板において吸収することが可能である。したがって、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。
【００２０】
それにより、上記の半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００２１】
また、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、窒化物系半導体層におけるクラックの発生を招くことなく垂直基本横モードを実現することが可能であるため、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
基板の少なくとも一部は活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成されてもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光を、活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される部分において吸収することが可能となる。
【００２５】
なお、ここで、活性層が障壁層および井戸層から構成される多重量子構造（ＭＱＷ構造）を有する場合においては、井戸層のバンドギャップを活性層のバンドギャップとする。
【００２６】
また、活性層はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成され、基板の少なくとも一部はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成されてもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮから構成される部分において吸収することが可能となる。
【００２７】
また、基板はＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが積層された超格子構造を有してもよい。このような基板においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となるとともに、基板と窒化物系半導体層との間に生じる歪みを緩和することが可能となる。
【００２８】
第２の発明に係る窒化物系半導体レーザ素子は、基板上に、第１の窒化物系半導体層と、活性層を含む第２の窒化物系半導体層とが形成されてなる窒化物系半導体レーザ素子であって、第１の窒化物系半導体層は活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から構成されるものである。
【００２９】
本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光を吸収可能な材料から第１の窒化物系半導体層が構成される。このため、活性層から漏れ出した光を第１の窒化物系半導体層において吸収することが可能となる。したがって、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、活性層からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。
【００３０】
それにより、上記の窒化物系半導体レーザ素子においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、このような窒化物系半導体レーザ素子においては、窒化物系半導体層におけるクラックの発生を招くことなく垂直基本横モードを実現することが可能であるため、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００３２】
【００３３】
【００３４】
第１の窒化物系半導体層は活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される層を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光を、活性層よりも小さなバンドギャップを有する窒化物系半導体から構成される層において吸収することが可能となる。
【００３５】
なお、ここで、活性層が障壁層および井戸層から構成される多重量子構造（ＭＱＷ構造）を有する場合においては、井戸層のバンドギャップを活性層のバンドギャップとする。
【００３６】
また、活性層はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成され、第１の窒化物系半導体層はＩｎＧａＮ層を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【００３７】
また、第１の窒化物系半導体層はＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが積層された超格子構造を含んでもよい。このような第１の窒化物系半導体層においては、活性層から漏れ出した光をＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。図１に示す半導体レーザ素子１００は、以下の方法により作製される。
【００３９】
半導体レーザ素子１００の作製時においては、まず、ＭｇがドープされたがＧａＮからなる厚さ１５０μｍのｐ−ＧａＮ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ２μｍのｐ−ＧａＮバッファ層２、ＭｇがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ１．０μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４、後述の発光層５、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６およびＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層７を順に成長させる。
【００４０】
この場合、図２に示すように、発光層５の成長時においては、まず、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層５１およびＭｇがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２を順に成長させる。
【００４１】
続いて、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３とＳｉがドープされたＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４とを交互に積層して多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層５７を成長させる。
【００４２】
なお、この場合においては、厚さ１００Åの４つのｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３と厚さ５０Åの３つのｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４とが交互に積層されてＭＱＷ活性層５７が構成されている。
【００４３】
上記のようにして形成したＭＱＷ活性層５７上にＳｉがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５を成長させ、さらにこのｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５上に、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層５６を成長させる。
【００４４】
以上のようにして、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５１、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５２、ＭＱＷ活性層５７、ｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５５およびｎ−ＧａＮ光ガイド層５６から構成される発光層５を形成する。
【００４５】
上記のように、半導体レーザ素子１００の作製時においては、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮ基板１を用いるとともに、このｐ−ＧａＮ基板１上にＭｇがドープされたｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４を成長させる。
【００４６】
ここで、通常、窒化物系半導体から構成される層および基板は肉眼では透明に見えるが、上記のようにＭｇがドープされた窒化物系半導体から構成されるｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４は、Ｍｇにより黒色をおびている。このようにＭｇがドープされて黒色をおびたｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４においては、可視光を吸収することが可能となる。
【００４７】
なお、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において上記のように光を吸収することが可能となるのは、Ｍｇをドープすることにより、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４のエネルギーバンド中に不純物準位が形成されるためであると考えられる。
【００４８】
上記のようにしてｐ−ＧａＮ基板１上に各層２〜７を成長させた後、ｎ−ＧａＮコンタクト層７からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層７およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００４９】
次に、ｐ−ＧａＮ基板１の結晶成長面と反対側の面にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。また、リッジ部側面およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６の平坦部上面にＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜８を形成するとともに、リッジ部上面および絶縁膜８上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。
【００５０】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１００を作製する。
【００５１】
図３は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１００の各層２〜７およびｐ−ＧａＮ基板１の有する屈折率を示す模式図である。
【００５２】
なお、基板および各層がそれぞれ有する屈折率と、これらの基板および各層がそれぞれ有するエネルギーバンドギャップの幅との間には逆の関係が成り立つ。すなわち、屈折率が大きいものほどエネルギーバンドギャップの幅が小さく、屈折率が小さいものほどエネルギーバンドギャップの幅が大きい。
【００５３】
図３に示すように、半導体レーザ素子１００においては、ＭＱＷ活性層５７の屈折率とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の屈折率との差が小さい。このため、発光層５のＭＱＷ活性層５７において発生した光を発光層５内に十分に導波することが困難であり、発光層５からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４に光が漏れ出す。
【００５４】
なお、ここでは、ｎ−ＩｎＧａＮ障壁層５３およびｎ−ＩｎＧａＮ井戸層５４の厚みによる重み付けをした屈折率平均値をＭＱＷ活性層５７の屈折率と定義する。
【００５５】
また、半導体レーザ素子１００は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の外側に位置するｐ−ＧａＮバッファ層２がｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４からｐ−ＧａＮバッファ層２に光が漏れ出す。
【００５６】
特に、半導体レーザ素子１００においては、発光層５下方のｐ−ＧａＮ基板１側の層２〜４およびｐ−ＧａＮ基板１の厚さが大きいため、ｐ−ＧａＮ基板１側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【００５７】
ここで、半導体レーザ素子１００においては、前述のように、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４にＭｇがドープされておりｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において可視光を吸収することが可能である。このため、発光層５からｐ−ＧａＮ基板１側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において吸収することが可能となる。
【００５８】
このように、半導体レーザ素子１００においては、発光層５からｐ−ＧａＮ基板１側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において吸収することが可能となるため、発光層５からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１００においては安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００５９】
上記のように、この場合においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｐ−ＧａＮバッファ層２にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができるため、各層２〜７におけるクラックの発生を防止することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１００においては、高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００６０】
なお、この場合、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４における光の吸収はあまり強くなくてもよい。通常、光吸収がある場合の光吸収係数は数千ｃｍ-1であるのに対して、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４全体における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４においても、十分に光の吸収を行うことが可能となり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【００６１】
なお、ｐ−ＧａＮ基板１、ｐ−ＧａＮバッファ層２、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層３およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４において光吸収効果を得るために必要なＭｇのドープ濃度は、それぞれ１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3である。
【００６２】
ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４におけるＭｇのドープ濃度を高くすることによりｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、このようにＭｇのドープ濃度を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、Ｍｇにより、ｐ−ＧａＮ基板１および各層２〜４において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【００６３】
ところで、ｐ−ＧａＮ基板１はＭＱＷ活性層５７から発生した光を吸収するため、ｐ−ＧａＮ基板１とＭＱＷ活性層５７との距離が小さい場合には、ｐ−ＧａＮ基板１での光吸収が増加し、半導体レーザ素子１００のしきい値を増加させるおそれがある。
【００６４】
しかしながら、半導体レーザ素子１００においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４の厚さが１μｍと十分大きいため、ｐ−ＧａＮ基板１とＭＱＷ活性層５７とを十分に離すことができる。したがって、半導体レーザ素子１００においては、発光層５に導波される光が吸収されるのを防止し、かつ発光層５から漏れ出した光を吸収することが可能となる。
【００６５】
図４は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。図４に示す半導体レーザ素子１０１は、以下の方法により作製される。
【００６６】
半導体レーザ素子１０１の作製時においては、まず、厚さ３５０μｍのサファイア基板２０のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層２１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層２２、ＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ＭｇがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５、発光層２６、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮからなる厚さ０．４μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７およびＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層２８を順に成長させる。
【００６７】
なお、半導体レーザ素子１０１の発光層２６は、図２に示す半導体レーザ素子１００の発光層５と同様の構造を有する。
【００６８】
上記のように、半導体レーザ素子１０１の作製時においては、発光層２６下方のサファイア基板２０側に、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５を成長させる。
【００６９】
ここで、通常、窒化物系半導体から構成される層および基板は肉眼では透明に見えるが、上記のようにＭｇがドープされた窒化物系半導体から構成されるｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５は、Ｍｇにより黒色をおびている。このようにＭｇがドープされて黒色をおびたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５においては、可視光を吸収することが可能となる。
【００７０】
なお、Ｍｇがドープされたｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において上記のように光を吸収することが可能となるのは、Ｍｇをドープすることにより、これらの各層２３〜２５のエネルギーバンド中に不純物準位が形成されるためであると考えられる。
【００７１】
上記のようにしてサファイア基板２０上に各層２１〜２８を成長させた後、ｎ−ＧａＮコンタクト層２８からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層２８およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００７２】
続いて、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の平坦部からｐ−ＧａＮコンタクト層２３までの一部領域をエッチングにより除去し、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３を露出させる。
【００７３】
次に、この露出したｐ−ＧａＮコンタクト層２３の所定領域上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。また、リッジ部のｎ−ＧａＮコンタクト層２８上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。
【００７４】
上記のようにして結晶成長および電極形成を行った後、サファイア基板２０の裏面を研磨してサファイア基板２０の厚さを１５０〜２００μｍとする。
【００７５】
さらに、リッジ部側面、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７の平坦部上面、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７からｐ−ＧａＮコンタクト層２３までの側面、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３のｐ電極形成領域を除く領域上面およびｐ電極１６の所定領域上面に、ＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜７０を形成する。
【００７６】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０１を作製する。
【００７７】
図５は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０１の各層２１〜２８の有する屈折率を示す模式図である。
【００７８】
図５に示すように、半導体レーザ素子１０１においては、発光層２６の屈折率とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の屈折率との差が小さい。このため、発光層２６のＭＱＷ活性層５７において発生した光を発光層２６内に十分に導波することが困難であり、発光層２６からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５に光が漏れ出す。
【００７９】
また、半導体レーザ素子１０１は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の外側に位置するｐ−ＧａＮコンタクト層２３がｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５からｐ−ＧａＮコンタクト層２４に光が漏れ出す。
【００８０】
特に、半導体レーザ素子１０１においては、サファイア基板２０側、すなわち発光層２６下方の層２１〜２５およびサファイア基板２０の厚さが大きいため、サファイア基板２０側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【００８１】
ここで、半導体レーザ素子１０１においては、前述のように、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５にＭｇがドープされており、各層２３〜２５において可視光を吸収することが可能である。このため、発光層２６からサファイア基板２０側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において吸収することが可能となる。
【００８２】
このように、半導体レーザ素子１０１においては、発光層２６からサファイア基板２０側へ漏れ出した光をｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５において吸収することが可能となるため、発光層２６からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなることを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０１においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【００８３】
上記のように、この場合においては、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｐ−ＧａＮコンタクト層２３にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０１においては、各層２〜７におけるクラックの発生を防止することが可能となる。したがって、半導体レーザ素子１００においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【００８４】
なお、この場合、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５全体における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５においても、十分に光の吸収を行うことが可能となり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【００８５】
なお、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５の各々において光吸収効果を得るために必要なＭｇのドープ濃度は、それぞれ１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3である。
【００８６】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２３、ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層２４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２５におけるＭｇのドープ濃度を高くすることにより各層２３〜２５においてより光の吸収を大きくすることが可能となる。しかしながら、このようにＭｇのドープ濃度を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、Ｍｇにより、各層２３〜２５において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【００８７】
なお、上記の半導体レーザ素子１０１において、ｐ−ＧａＮコンタクト層２３の厚さは大きい方が好ましく、例えば１０〜２０μｍであることが好ましい。このように大きな厚さを有するｐ−ＧａＮコンタクト層２３においては、特に多くの光を吸収することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０１において、垂直横モードが高次モードとなることをより防止することが可能となる。
【００８８】
図６は本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。図６に示す半導体レーザ素子１０２は以下の方法により作製される。
【００８９】
半導体レーザ素子１０２の作製時においては、ｎ−ＡｌＧａＮ層とｎ−ＩｎＧａＮ層とを交互に複数積層してｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を作製する。
【００９０】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の作製の際には、まず、サファイア基板上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層および厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層を成長させる。そして、さらにこのアンドープＧａＮ層上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる厚さ５０Åのｎ−ＩｎＧａＮ層とＳｉがドープされたＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎからなる厚さ５０Åのｎ−ＡｌＧａＮ層とを１対として複数対積層し、厚さ１５０μｍまで成長させる。このようにしてｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造を形成した後、研磨によりサファイア基板、ＡｌＧａＮバッファ層およびアンドープＧａＮ層を除去する。以上のようにして、厚さ１５０μｍのｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を作製する。
【００９１】
ここで、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が、後述の発光層３５のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなるようにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層の組成を設定する。それにより、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層において、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側に漏れ出した光を吸収することが可能となる。
【００９２】
上記のようにして作製したｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１上に、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ２μｍのｎ−ＧａＮバッファ層３２、ＳｉがドープされたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ１．０μｍのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、後述の発光層３５、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層３７を順に成長させる。
【００９３】
この場合、図７に示すように、発光層３５の成長時においては、まず、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層６１を成長させる。続いて、ｎ−ＧａＮ光ガイド層６１上に、ＳｉがドープされたＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２とＳｉがドープされたＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３とを交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層６６を成長させる。さらに、このＭＱＷ活性層６６上に、ＭｇがドープされたＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなる厚さ２００Åのｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層６４およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層６５を順に成長させる。
【００９４】
なお、この場合においては、厚さ１００Åの４つのｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２と厚さ５０Åの３つのｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３とが交互に積層されてＭＱＷ活性層６６が構成されている。
【００９５】
上記のようにしてｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１上に各層３２〜３７を成長させた後、ｐ−ＧａＮコンタクト層３７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６の所定領域深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層３７およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【００９６】
次に、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の結晶成長面と反対側の面にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。また、リッジ部側面およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６の平坦部上面にＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜３８を形成するとともに、リッジ部上面および絶縁膜３８上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。
【００９７】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０２を作製する。
【００９８】
図８は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０２のｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１および各層３２〜３７の有する屈折率を示す模式図である。
【００９９】
図８に示すように、半導体レーザ素子１０２においては、ＭＱＷ活性層６６の屈折率とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の屈折率との差が小さい。このため、発光層３５のＭＱＷ活性層６６において発生した光を発光層３５内に十分に導波することが困難であり、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４に光が漏れ出す。
【０１００】
なお、ここでは、ｎ−ＩｎＧａＮ障壁層６２およびｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６３の厚みによる重み付けをした屈折率平均値をＭＱＷ活性層６６の屈折率と定義する。
【０１０１】
また、半導体レーザ素子１０２は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の外側に位置するｎ−ＧａＮバッファ層３２がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４からｎ−ＧａＮバッファ層３２に光が漏れ出す。
【０１０２】
特に、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５下方のｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側の層３２〜３４およびｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１の厚さが大きいため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【０１０３】
ここで、半導体レーザ素子１０２においては、前述のように、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が発光層３５のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなっているため、発光層３５からｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能である。
【０１０４】
このように、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能であるため、発光層３５からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０２においては安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【０１０５】
上記のように、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｎ−ＧａＮバッファ層３２にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０２の各層３２〜３７においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１０６】
さらに、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１が超格子構造を有するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１と各層３２〜３７との間に生じる歪みが緩和されている。このため、半導体レーザ素子１０２においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１０７】
以上のように、半導体レーザ素子１０２においては各層３２〜３７におけるクラックの発生を防止することが可能となるため、このような半導体レーザ素子１０２においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【０１０８】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係数が小さなｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１においても、発光層３５から漏れ出した光を十分に吸収することが可能であり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【０１０９】
なお、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において、ｎ−ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を大きくすると、ｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅がより小さくなるため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、ｎ−ＩｎＧａＮのＩｎ組成が大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮの結晶性が劣化する。したがって、このようにＩｎの組成を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【０１１０】
ところで、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１はＭＱＷ活性層６６から発生した光を吸収するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１とＭＱＷ活性層６６との距離が小さい場合には、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１での光吸収が増加し、半導体レーザ素子１０２のしきい値を増加させるおそれがある。
【０１１１】
しかしながら、半導体レーザ素子１０２においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４の厚さが１μｍと十分大きいため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１とＭＱＷ活性層６６とを十分に離すことができる。したがって、半導体レーザ素子１０２においては、発光層３５に導波される光がｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１に吸収されるのを防止し、かつ発光層３５から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において吸収することが可能となる。
【０１１２】
なお、上記の半導体レーザ素子１０２においては、光の吸収効果を目的とするとともに歪み緩和効果を目的とするためにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１を形成しているが、光吸収効果のみを目的とするのであれば、ｎ−ＩｎＧａＮ層が部分的に挿入された基板、例えば、厚さ０．２μｍ以下のｎ−ＩｎＧａＮ層がある程度の間隔で存在する構造を有する基板を形成すればよい。
【０１１３】
なお、ＩｎＧａＮは格子定数が大きいのでｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍより大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化する。したがって、ｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さは０．２μｍ以下であることが好ましい。
【０１１４】
例えば、ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造またはｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ超格子構造を有する基板を形成してもよい。また、基板は超格子構造以外の周期構造を有していてもよく、あるいは超格子構造および周期構造以外の構造であってもよい。この場合においても、基板が発光層から漏れ出した光を吸収することが可能であるため、安定な垂直基本横モードを得ることが可能となる。
【０１１５】
なお、ここでは１００Å以下の厚さの層が２００Å以下の周期で積層された積層構造を超格子構造としており、これ以外の範囲の厚さおよび周期の層が積層された積層構造を周期構造として超格子構造と区別している。
【０１１６】
なお、上記の半導体レーザ素子１０２においては、ｎ型の超格子基板を形成するとともにこの基板上にｎ型層およびｐ型層をこの順で形成する場合について説明したが、ｐ型の超格子基板を形成するとともにこの基板上にｐ型層およびｎ型層をこの順で形成してもよい。
【０１１７】
図９は本発明の参考形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。図９に示す半導体レーザ素子１０３は、以下の方法により作製される。
【０１１８】
半導体レーザ素子１０３の作製時においては、まず、厚さ３５０μｍのサファイア基板４０のＣ（０００１）面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００ÅのＡｌＧａＮバッファ層４１、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ層４２、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮからなる後述の厚さ５μｍのｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３、ＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ１μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４４、ＳｉがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５、発光層４６、ＭｇがドープされたＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７およびＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層４８を順に成長させる。
【０１１９】
なお、半導体レーザ素子１０３の発光層４６は、図７に示す半導体レーザ素子１０２の発光層３５と同様の構造を有する。
【０１２０】
ここで、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が、発光層４６のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなるようにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層の組成を設定する。それにより、発光層４６からサファイア基板４０側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層において吸収することが可能となる。
【０１２１】
上記のようにしてサファイア基板４０上に各層４１〜４８を成長させた後、ｐ−ＧａＮコンタクト層４８からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の所定深さまでをエッチングにより除去する。それにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層４８およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７から構成される幅２μｍのストライプ状のリッジ部を形成するとともに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７に厚さ０．０５μｍの平坦部を形成する。
【０１２２】
続いて、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の平坦部からｎ−ＧａＮコンタクト層４４までの一部領域をエッチングにより除去してｎ−ＧａＮコンタクト層４４を露出させる。
【０１２３】
次に、この露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４４の所定領域上にＴｉ膜およびＡｌ膜を順に積層してｎ電極１５を形成する。また、リッジ部のｐ−ＧａＮコンタクト層４８上にＮｉ膜を形成してｐ電極１６を形成する。
【０１２４】
上記のようにして結晶成長および電極形成を行った後、サファイア基板４０の裏面を研磨してサファイア基板４０の厚さを１５０〜２００μｍとする。
【０１２５】
さらに、リッジ部側面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７の平坦部上面、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４７からｎ−ＧａＮコンタクト層４４までの側面、ｎ−ＧａＮコンタクト層４４のｎ電極形成領域を除く領域上面およびｎ電極１５の所定領域上面に、ＳｉＯ2 からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜７０を形成する。
【０１２６】
最後に、例えば劈開により、共振器長５００μｍの共振器を作製する。以上のようにして、半導体レーザ素子１０３を作製する。
【０１２７】
図１０は、上記の方法により作製された半導体レーザ素子１０３の各層４１〜４８の有する屈折率を示す模式図である。
【０１２８】
図１０に示すように、半導体レーザ素子１０３においては、発光層４６の屈折率とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５の屈折率との差が小さい。このため、発光層４６のＭＱＷ活性層６６において発生した光を発光層４６内に十分に導波することが困難であり、発光層４６からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５に光が漏れ出す。
【０１２９】
また、半導体レーザ素子１０３は、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５の外側に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層４４がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５に比べて大きな屈折率を有するいわゆる反導波構造となる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５からｎ−ＧａＮコンタクト層４４に光が漏れ出す。
【０１３０】
特に、半導体レーザ素子１０３においては、サファイア基板４０側、すなわち発光層４６下方の層４１〜４５およびサファイア基板４０の厚さが大きいため、サファイア基板４０側においては光の漏れ出しが大きくなる。
【０１３１】
ここで、半導体レーザ素子１０３においては、前述のように、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３のｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅が発光層４６のｎ−ＩｎＧａＮ井戸層６２のバンドギャップの幅よりも小さくなっているため、発光層４６からサファイア基板４０側に漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において吸収することが可能である。
【０１３２】
このように、半導体レーザ素子１０３においては、発光層４６から漏れ出した光をｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において吸収することが可能であるため、発光層４６からの光の漏れを低減することが可能となり、垂直横モードが高次モードとなるのを防止することが可能となる。それにより、半導体レーザ素子１０３においては、安定した垂直基本横モードを得ることが可能となり、しきい値電流の低減化を図ることが可能となる。
【０１３３】
上記のように、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５のＡｌ組成を大きく（例えば０．０７より大きくする）したりｎ−ＧａＮコンタクト層４４にＡｌを加える（例えばＡｌを０．０２程度加える）ことなく垂直基本横モードを実現することができる。このため、半導体レーザ素子１０３の各層４１〜４８においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１３４】
さらに、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３が超格子構造を有するため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３と各層４１，４２，４５〜４８との間の歪みが緩和されている。このため、半導体レーザ素子１０３においては、クラックの発生を防止することができる。
【０１３５】
以上のように、半導体レーザ素子１０２においては各層４１〜４８におけるクラックの発生を防止することが可能となるため、このような半導体レーザ素子１０３においては高い歩留まりでの製造が実現可能となる。
【０１３６】
ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収はあまり強くなくてもよく、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収係数は数十ｃｍ-1以上であればよい。このように光の吸収係が小さなｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３においても、発光層４６から漏れ出した光を十分に吸収することが可能であり、安定な垂直基本横モードを実現することが可能となる。
【０１３７】
なお、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３において、ｎ−ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を大きくすると、ｎ−ＩｎＧａＮ層のバンドギャップの幅がより小さくなるため、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３における光の吸収をより大きくすることが可能となる。しかしながら、ｎ−ＩｎＧａＮのＩｎ組成が大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮの結晶性が劣化する。このため、このようにＩｎの組成を大きくして光の吸収を大きくする場合においては、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子基板３１において結晶性に問題が生じるおそれがある。
【０１３８】
上記の半導体レーザ素子１０３においては、光の吸収効果を目的とするとともに歪み緩和効果を目的とするためにｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子バッファ層４３を形成しているが、光吸収効果のみを目的とするのであれば、ｎ−ＩｎＧａＮ層が部分的に挿入されたバッファ層、例えば、厚さ０．２μｍ以下のｎ−ＩｎＧａＮ層がある程度の間隔で存在する構造を有するバッファ層を形成すればよい。
【０１３９】
なお、ＩｎＧａＮは格子定数が大きいのでｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍより大きくなるとｎ−ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化する。したがって、ｎ−ＩｎＧａＮ層の厚さは０．２μｍ以下であることが好ましい。
【０１４０】
例えば、ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ超格子構造またはｎ−ＧａＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ超格子構造を有するバッファ層を形成してもよい。また、バッファ層は超格子構造以外の周期構造を有していてもよく、あるいは超格子構造および周期構造以外の構造であってもよい。この場合においても、基板が発光層から漏れ出した光を吸収することが可能であるため、安定な垂直基本横モードを得ることが可能となる。
【０１４１】
なお、ここでは１００Å以下の厚さの層が２００Å以下の周期で積層された積層構造を超格子構造としており、これ以外の範囲の厚さおよび周期の層が積層された積層構造を周期構造として超格子構造と区別している。
【０１４２】
また、上記の半導体レーザ素子１０３においては、サファイア基板上にｎ型層およびｐ型層がこの順で形成される場合について説明したが、サファイア基板上にｐ型層およびｎ型層がこの順で形成されてもよい。
【０１４３】
上記の半導体レーザ素子１００〜１０３の各層の組成は上記に限定されるものではなく、各層は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌの少なくとも１つを含む窒化物系半導体から構成されていればよい。
【０１４４】
また、半導体レーザ素子１０１，１０３においてはサファイア基板２０，４０を用いているが、サファイア基板２０，４０の代わりにＳｉ基板、ＳｉＣ基板等を用いてもよい。
【０１４５】
さらに、上記においては、本発明をリッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子に適用する場合について説明したが、本発明をセルフアライン型構造を有する半導体レーザ素子に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】 図１の半導体レーザ素子の発光層の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】 図１の半導体レーザ素子の基板および各層の屈折率を示す模式図である。
【図４】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５】 図４の半導体レーザ素子の各層の屈折率を示す模式図である。
【図６】 本発明に係る半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図７】 図６の半導体レーザ素子の発光層の構造を示す模式的な断面図である。
【図８】 図６の半導体レーザ素子の基板および各層の屈折率を示す模式図である。
【図９】 本発明の参考形態に係る半導体レーザ素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１０】 図９の半導体レーザ素子の各層の屈折率を示す模式図である。
【図１１】 従来の半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ ｐ−ＧａＮ基板
２ ｐ−ＧａＮバッファ層
３，２４，３３ ｐ−ＩｎＧａＮクラック防止層
４，２５，３６，４７ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
５，２６，３５，４６ 発光層
６，２７，３４，４５ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
７，２８，４４ ｎ−ＧａＮコンタクト層
８，３８，７０ 絶縁膜
１５ ｎ電極
１６ ｐ電極
２０ サファイア基板
２１ ＡｌＧａＮバッファ層
２３，３７，４８ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１００〜１０３ 半導体レーザ素子
Claims (4)
- 基板上に活性層を含む窒化物系半導体層が形成されてなる窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記活性層はＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体から構成され、
前記基板は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが積層された超格子構造からなり、
前記ＩｎＧａＮ層は、バンドギャップの幅が、前記活性層のＩｎＧａＮを含む窒化物系半導体のバンドギャップの幅よりも小さく、且つ、前記活性層から漏れ出した光を吸収可能であることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。 - 前記基板の少なくとも一部はｎ型であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記基板の少なくとも一部にはＳｉがドープされていることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記窒化物系半導体にはＳｉがドープされていることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体レーザ素子。
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