JP5391588B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、共振器端面に特定構造の保護膜を有する窒化物半導体レーザ素子に関する。

窒化物半導体レーザ素子では、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）又は劈開によって形成された共振器端面はバンドギャップエネルギーが小さいため、出射光の吸収が端面で起こりやすい。この出射光の吸収により端面に熱が発生し、高出力レーザを実現するには寿命特性等に問題があった。このため、例えば、Ｓｉの酸化膜や窒化膜を、共振器端面の保護膜として形成する高出力半導体レーザの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この保護膜は窓層として機能し、共振器端面での光吸収を抑制する。
特開平１０−７０３３８

しかし、窒化物半導体レーザ素子においては、前記保護膜が共振器端面での光吸収を抑制できる材料であったとしても、窒化物半導体との格子定数の違いから積層された窒化物半導体層にクラックが発生することや、保護膜に剥がれが生じることで、所望の機能を果たすことができなくなるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制し、かつ端面において保護膜の剥がれが生じず、良好な特性を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を実現するために、つまり、高出力駆動を行っても良好な特性、特に高いＣＯＤレベルを得るために、共振器端面の保護膜について鋭意研究を行った。その結果、保護膜自体の配向性が、保護膜の応力による半導体層への負荷、保護膜の剥がれ等に影響を及ぼすこと、特に、高出力駆動において経時変化を与えることを見出した。つまり、保護膜の配向性が均一である場合には、駆動の初期ではＣＯＤレベルが高いが、高出力駆動に伴って、半導体層への負荷、保護膜の剥がれ等に起因してＣＯＤレベルが経時的に低下することを見出した。

また、積層された窒化物半導体層の露出面である共振器端面の格子定数と、共振器端面に形成される保護膜の格子定数との差異が大きい場合には、共振器端面上に形成される保護膜に多結晶等からなる光吸収領域が形成されるため、ＣＯＤレベルが低下すること、さらに、これは、窒化物半導体層内に形成される光導波路領域、特に活性層上に形成される保護膜の物性によって影響を受けることをも見出した。
これにより、保護膜の配向性及び／又は格子定数の調整が半導体レーザ素子の特性を長期的に維持し得ることを突き止め、本発明の完成に至った。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面と、該共振器端面に形成された保護膜（以下、「第１保護膜」と記すことがある）とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記保護膜は、前記窒化物半導体層の積層方向に、結晶の軸配向が異なる領域を有するか、あるいは、前記共振器端面との接触界面において該共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする。

これらの窒化物半導体レーザ素子では、さらに、前記保護膜は、（１）前記窒化物半導体層の積層界面上において、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向が異なるか、（２）少なくとも前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮより大きい層上において、前記共振器端面と同軸配向の結晶構造を有するか、（３）前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮ以下の層上において、前記共振器端面と異軸配向の結晶構造を有するか、（４）少なくとも前記窒化物半導体層の格子定数がＧａＮより小さい層上において、前記共振器端面と同軸配向の結晶構造を有するか、（５）前記窒化物半導体層の格子定数がＧａＮ以上の層上において、前記共振器端面と異軸配向の結晶構造を有するか、（６）少なくとも光出射面側の共振器端面に形成されたものであるか、（７）六方晶系の結晶構造を有するか、（８）窒素を含むか、（９）前記保護膜は、前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮより大きい層上でＭ軸配向の結晶構造を有し、かつバンドギャップエネルギーがＧａＮ以下の層上でＣ軸配向の結晶構造を有するか、（１０）窒化物半導体層と格子整合している領域を有することが好ましい。

また、前記活性層は、井戸層と障壁層とを有する単一又は多重量子井戸構造であり、前記保護膜は、前記井戸層と障壁層との積層界面上において、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向が異なることが好ましい。
さらに、前記窒化物半導体層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層を有しており、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層は、前記窒化物半導体層の積層方向にＣ軸配向の結晶構造を有し、かつ、前記保護膜は前記共振器端面に垂直方向にＣ軸配向の結晶構造を有していることが好ましい。

また、本発明の別の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面と、該共振器端面に形成された保護膜とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記保護膜は、前記共振器端面との接触界面において該共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする。

さらに、本発明の別の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型の窒化物半導体層と、量子井戸構造をした活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器端面と、該共振器端面に形成された保護膜とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記保護膜は、井戸層との接触界面から保護膜の膜厚方向に前記共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする。

この窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、２以上の井戸層を備える多重量子井戸構造であり、前記保護膜は、両側の井戸層間の活性層上において、窒化物半導体層の積層方向に、同じ結晶の軸配向が連続してなることが好ましい。

本発明によれば、共振器端面に形成された保護膜を、窒化物半導体層の積層方向に、結晶の軸配向が異なる領域を有するように配置することにより、窒化物半導体レーザ素子の高出力駆動時においても、保護膜の応力による半導体層への負荷を緩和すること、つまり窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制し、保護膜の剥がれ等を防止することが可能となる。そのため、高いＣＯＤレベルに対して、経時変化を生じさせにくくすることが可能となり、高性能、高出力、高信頼性の窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、典型的には図１及び図２Ａに示すように、主として、第１窒化物半導体層１２、活性層１３及び第２窒化物半導体層１４が順に積層された半導体層と、この半導体層に形成された共振器端面とを備えて構成されている。このような窒化物半導体レーザ素子は、通常、基板１１上に形成されており、第２窒化物半導体層１４の表面にはリッジ１６が形成され、共振器端面には第１保護膜２１、第２保護膜２２が形成され、その他には埋込膜１５、ｐ電極１７、ｎ電極２０が形成されている。また、図１に示すように、第３保護膜１８、ｐパッド電極１９等が形成されていてもよい。

第１保護膜は、図２Ａ、Ｂ又はＣに示すように、共振器端面の少なくとも一方の面（特に光出射面、フロント側とも記すことがある）に接触して形成されている膜である。この明細書では、特に断りのない限り「保護膜」は「第１保護膜」を意味する。また、第１保護膜及び第２保護膜のように共振器端面に形成された保護膜の総称として「端面保護膜」と記載することがある。
この第１保護膜は、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向が異なる領域を有する。つまり、第１保護膜は、その面内において、均一な結晶の軸配向を有しておらず、軸配向が変化している。このような面内での異なる軸配向の組み合わせとしては、例えば、Ｍ軸〈１−１００〉配向の領域及びＣ軸〈０００１〉配向の領域を有するもの、Ｍ軸配向の領域及びＡ軸〈１１−２０〉配向の領域を有するもの、Ｍ軸配向の領域及びＲ軸〈１−１０２〉配向の領域を有するもの、Ｃ軸配向の領域及びＡ軸配向の領域を有するもの、Ｃ軸配向の領域及びＲ軸配向の領域を有するもの、Ａ軸配向の領域及びＲ軸配向の領域を有するもの等の種々の態様が含まれる。

また、第１保護膜の膜厚方向においても、均一な結晶の軸配向を有しておらず、軸配向が変化していてもよい。このような膜厚方向の軸配向の変化は、面内における軸配向の変化と同様に、共振器端面側からその表面側にかけて、Ｍ軸〈１−１００〉配向からＣ軸〈０００１〉配向に変化したもの、Ｍ軸配向からＡ軸〈１１−２０〉配向に変化したもの、Ｍ軸配向からＲ軸〈１−１０２〉配向に変化したもの、Ｃ軸配向からＡ軸配向に変化したもの、Ｃ軸配向からＲ軸配向に変化したもの、Ａ軸配向からＲ軸配向に変化したもの、又はそれらの逆等の種々の態様が含まれる。

ここで、軸配向とは、単結晶で、精密にＭ軸、Ｃ軸、Ａ軸又はＲ軸に配向した状態のみならず、多結晶が混在するが、Ｍ軸、Ｃ軸、Ａ軸又はＲ軸に配向する部位を含む状態、均一に分布して含む状態であってもよい。このように、多結晶状態である場合には、共振器端面との格子定数の差異が厳格に表れず、その差異を緩和することができる。
また、この軸配向の変化は、異なる軸配向への完全な変化でなくてもよく、異なる軸配向が混在する状態又は異なる軸配向の割合が高くなるものであってもよい。
なお、第１保護膜における結晶の軸配向は、共振器端面との接触界面において共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することが好ましい。

本発明における第１保護膜の結晶構造は、少なくとも窒化物半導体層と接触する側の面内において軸配向が異なる領域を有するために、軸配向の異なる領域同士の界面で応力が分断され、第１保護膜に内在する応力が緩和されている。また、この軸配向の異なる領域同士の界面では、格子定数差、熱膨張係数差を有している。特に、軸配向の異なる領域同士の界面において、格子定数差を有することによって、第１保護膜内部での応力を緩和し、ひいては窒化物半導体への応力を緩和して、第１保護膜の剥がれを防止し、ＣＯＤレベルを向上させることができる。

第１保護膜の軸配向は、共振器端面の窒化物半導体層の組成によって決定することができる。例えば、後述するように、この窒化物半導体層が、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）によって形成されている場合、ＧａＮを基準として、ｘの組成が大きくなるに従って、第１保護膜の軸配向は、共振器端面の軸配向とは異なるものとなる傾向がある。また、ｙの組成が大きくなるに従って、第１保護膜の軸配向は、共振器端面の軸配向と同軸配向する傾向がある。

具体的には、共振器端面がＭ面の場合、つまり、窒化物半導体層が積層方向にＣ軸配向を有している場合、図９に示すように、共振器端面を構成する窒化物半導体層のうち、ＧａＮ層に接触する第１保護膜６１の領域では、Ｍ軸配向とＣ軸配向とが混在する。

窒化物半導体層がＩｎＧａＮ層の場合、Ｉｎの組成が極めて小さい場合には、第１保護膜に対してはＧａＮ層の性質が優勢となり、第１保護膜には、Ｍ軸配向とＣ軸配向とが混在するが、Ｉｎの組成が大きくなるに従って、第１保護膜に対してＩｎの性質が徐々に現れ、さらにＩｎの性質が優勢となり、ほぼＣ軸配向のみが存在する領域が現れる傾向がある（図９参照）。ここで、Ｉｎの性質が現れるポイントは、例えば、成膜方法、膜厚等によって適宜調整することができ、例えば、前記xの値であるＩｎの組成比が、０．０１〜０．３０程度の範囲内、好ましくは０．０１〜０．２０程度、さらに好ましくは、０．０２〜０．０７程度の範囲内が挙げられる。

また、ＡｌＧａＮ層の場合には、Ａｌの組成が大きくなるに従って、第１保護膜に対してＡｌの性質が徐々に現れ、さらにＡｌの性質が優勢となり、第１保護膜には、ほぼＭ軸配向のみが存在する領域が現れる（図９参照）。ここで、Ａｌの性質が現れるポイントは、例えば、成膜方法、膜厚等によって適宜調整することができるが、前記ｙの値を０．０００１以上、好ましくは０．００１以上、より好ましくは０．０１以上の範囲内とすることが挙げられる。
ここで、優勢とは、割合が高いことを示すこともあるが、他に比べて性質が顕著であることをも示す。

なお、図９では、第１保護膜内において、Ｃ軸配向、Ｍ軸配向、Ｍ軸配向とＣ軸配向とが混在する領域の界面を点線で示しているが、各窒化物半導体層のＩｎ、Ａｌ組成によって、その界面の位置を変動させることができる。これにより、発光に直接寄与しない窒化物半導体層に接触する第１保護膜は、窒化物半導体層との密着性を確保することができ、一方、発光に寄与する窒化物半導体層に接触する第１保護膜では、光吸収を最小限に止めることが可能となる。

特に、窒化物半導体層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層を有している場合、通常、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層は窒化物半導体層の積層方向にＣ軸配向の結晶構造を有しており、第１保護膜は、共振器端面に垂直方向にＣ軸配向の結晶構造を有することが好ましい。

しかし、積層された窒化物半導体層の軸配向と第１保護膜の軸配向とは、両者の接触界面において、その全て又は一部が、必ずしも同じでなくてもよい。

また、別の観点から、窒化物半導体層が、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）によって形成されている場合、ＧａＮを基準として、第１保護膜に接触する窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーを同等又はそれよりも小さくすることにより、第１保護膜において、ほぼＣ軸配向のみが存在する領域を得ることができる。また、第１保護膜に接触する窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーをそれより大きくすることにより、第１保護膜において、ほぼＭ軸配向のみが存在する領域を得ることができる。

さらに別の観点から、窒化物半導体層が、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）によって形成されている場合、ＧａＮを基準として、第１保護膜に接触する窒化物半導体層の格子定数を同等又はそれよりも大きくすることにより、第１保護膜において、ほぼＣ軸配向のみが存在する領域を得ることができる。また、第１保護膜に接触する窒化物半導体層の格子定数を、ＧａＮを基準としてそれより小さくすることにより、第１保護膜において、ほぼＭ軸配向のみが存在する領域を得ることができる。
つまり、活性層を構成する井戸層の格子定数と、第１保護膜の格子定数との差異を小さくするのであれば、第１保護膜の軸配向を共振器端面に露出した井戸層の軸配向とは異なるものとする、つまり格子整合させなくてもよい。共振器端面として露出した窒化物半導体層の格子定数と、共振器端面に形成される第１保護膜の格子定数との差異を小さくすることで、これらの接触界面での光吸収は抑制でき、よって、ＣＯＤレベルを向上させることができると考えられる。

また、第１保護膜は、窒化物半導体層と格子整合していてもよい。ただし、窒化物半導体層と第１保護膜との接触界面の全面で格子整合している必要はない。

第１保護膜におけるこのような面内の軸配向の差異は、１つの態様では、積層半導体において、第１保護膜が接触する窒化物半導体層自体の軸配向、組成等のみならず、隣接する窒化物半導体層の組成、膜厚、格子定数、バンドギャップ等の差異によって現れ、変動する場合があると考えられる。そのため、これらの第１保護膜での軸配向の変化又は差異は、前記窒化物半導体層の積層界面上又はその付近で起こりやすい。
例えば、窒化物半導体層がＩｎＧａＮ層であり、その一方の側にＡｌＧａＮ層が配置する場合、ＩｎＧａＮ層に接触する第１保護膜は、それに隣接するＡｌＧａＮ層の影響を受ける傾向があり、Ａｌの組成が大きくなるに従って、ＡｌＧａＮ層から受ける影響が増大することが確認されている。

従って、第１保護膜における面内の軸配向の変化又は軸配向の差異は、必ずしも窒化物半導体の全ての積層界面で起こらない場合がある。

具体的には、第１保護膜における面内方向の軸配向の差異は、活性層と第１導電型の窒化物半導体層との界面上や、活性層と第２導電型の窒化物半導体層との界面上で形成されやすい。また、活性層が量子井戸構造の場合には、障壁層と井戸層との１以上の界面上で起こりやすく、最も外側の障壁層と井戸層の界面又は界面付近においてより形成されやすい。第１保護膜における面内の軸配向は、窒化物半導体層に形成された共振器端面上において、活性層又は活性層を含んだ光導波路上と、その上下に積層された窒化物半導体層上とでは異なることにより第１保護膜に内在する応力を緩和することができる。

第１保護膜における面内の軸配向は、窒化物半導体層に形成された共振器端面上において、活性層又は活性層を含んだ光導波路上、好ましくは、井戸層とその上又は下に配置する障壁層の近傍との上では、共振器端面と異軸配向をしており、その上下に積層された窒化物半導体層上では共振器端面と同軸配向をしていることが好ましい。この上下に積層された窒化物半導体層上で共振器端面と同軸配向をしていることにより、第１保護膜と窒化物半導体層との密着性は良好となる。また、第１保護膜は、活性層又は活性層を含んだ光導波路上では、共振器端面と異軸配向をして形成されることで、第１保護膜において面内の軸配向が異なる領域が形成され、よって、軸配向が異なる領域の界面が形成されるため、第１保護膜に内在する応力が緩和される。これにより、特に活性層の近傍における共振器端面でのレーザ光の照射による熱に起因する応力を第１保護膜の軸配向の差異によって、緩和させることができ、窒化物半導体層への負荷、第１保護膜の剥離などを有効に防止することができる。

井戸層が複数存在する場合には、第１保護膜は、両端の井戸層の間で連続して、共振器端面と異軸配向で形成されていることが好ましい。
特に、活性層が２以上の井戸層を備える多重量子井戸構造の場合、第１保護膜は、両側に位置する井戸層間の活性層上において、窒化物半導体層の積層方向に、同じ結晶の軸配向が連続していることが好ましい（図８参照）。

また、第１保護膜は、井戸層との接触界面から第１保護膜の膜厚方向に、共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有していてもよい（図３、図６等参照）。これによって、第１保護膜の膜厚方向においても、応力を緩和させることができる。

第１保護膜は、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物、窒化物（例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮ等）又はフッ化物等が挙げられ、なかでも、六方晶系の結晶構造を有する膜であることが適しており、特に、ＡｌＮであることが好ましい。

第１保護膜の膜厚は、例えば、５〜５００ｎｍ程度であることが適しており、５〜１００ｎｍ程度であることが好ましい。なお、本発明では、このような第１保護膜が、共振器端面の光出射面、その反対側の面である反射側（リア側と記すことがある）の双方に形成されていてもよい。

一般に、第１保護膜の状態は、その第１保護膜を構成する材料の結晶度合いによって、単結晶、多結晶、アモルファスに分類される。単結晶は、材料中で格子定数の変動がほとんどなく、格子面傾斜がほとんどない。言い換えると、材料中で原子配列が規則的に並び、長距離的な秩序が保たれている。多結晶とは、多数の微小な単結晶、すなわち微結晶から構成されているものである。アモルファスは、結晶におけるような周期的構造をもたないもの、つまり原子配列が不規則、長距離秩序がないものを意味する。

このような膜の状態（結晶質である場合は、その結晶性又は結晶状態）は、電子線による回折像によって容易に判定することができる。結晶を構成する元素の配列の様子は、電子線回折によって、視覚的に捉えることができる。

つまり、膜に電子線を入射することによって、格子定数の大きさ及び面方向に対応して、電子線回折像が表れる。例えば、単結晶の場合は、結晶面が略そろっているため、規則正しく回折点が並んで観察される。多結晶の場合は、微結晶から構成されるため、それぞれの格子面の向きがそろっておらず、回折点が複雑に合わさった状態で見られたり、デバイリングが見られたりする。一方、アモルファスの場合、原子配列が長距離に周期的な構造をもたないため、電子線回折が起こらない。したがって、回折像に回折点がない状態で観察される。

結晶性が異なる、つまり結晶の軸配向が異なることは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＳＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）等による断面観察（明視野、制限視野、高分解能等）で認められるのみならず、上述したような電子線回折又はこれらのパターンを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理したもの等、あるいはエッチングレートの差異からも確認することができる。

つまり、顕微鏡における第１保護膜の観察において、結晶性の違いに起因して、活性層に接する領域と、第１窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層に接触する領域とで、視覚的な差異が認められる。
特に、ＳＴＥＭ、ＴＥＭ等による観察では、その膜の状態の違い（結晶質である場合は、その結晶性又は結晶状態）により明暗（コントラスト）が観察される。

また、同じ膜を観察した場合でも、観察条件（ＳＴＥＭ像、ＴＥＭ像の表示設定）を変えることで、明暗が逆転して観察されることがある。

電子線回折像は、第１保護膜が形成されている端面に対して第１保護膜の断面が露出するように切断し、電子線を当てて観察することができる。電子線回折像は、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ−２０１０Ｆ型を用いて観察することができる。

観察の手順としては、まず、収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）加工装置（例えば、セイコーインスツルメンツ株式会社製：ＳＭＩ３０５０ＭＳ２）を用いて、マイクロプロービングによる試料切り出しを行い、試料をＦＩＢ加工により薄膜加工し（例えば、１００ｎｍ程度以下）。さらにイオンミリング加工によりさらに薄膜加工する（例えば、５０ｎｍ程度以下）。次に、所定に加速電圧（例えば、２００ｋＶ程度）にて、ＴＥＭ観察を行うことで暗視像を得ることができる。

さらに、得られた第１保護膜を適当なエッチャント、例えば、酸（例えば、バッファードフッ酸等）又はアルカリ（例えば、ＫＯＨ等）溶液に浸漬することにより、それらの溶解性の違い（エッチングレートの差）から、結晶性の差異が認められる。このエッチングでは、結晶性の悪いものは速やかに溶解又は除去され、結晶性の良好のものが残る又は維持される。
また、これらの方法に限られず、公知の方法を用いて第１保護膜の結晶性を評価することが可能である。

第１保護膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等）、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。なかでも、ＥＣＲプラズマスパッタ法が好ましい。

また、その成膜方法にもよるが、成膜前に共振器端面の表面を窒素プラズマで処理する、成膜速度を比較的速いレートに調整する、成膜時の雰囲気において、例えば、吸収をもたない程度に窒素ガス分圧を下げる、成膜圧力を比較的高く調整するなどのいずれか１つ又は２以上を組み合わせて成膜を制御することが好ましい。各方法での成膜時に、徐々に又は急激に窒素分圧を変えてもよいし、徐々に又は急激に成膜圧力を変えてもよい。

スパッタ法で成膜する際、ターゲットとして第１保護膜材料を用い、成膜レートを徐々に又は急激に増大させるか、ＲＦ電力を徐々に又は急激に増大（増大させる範囲が１００〜１０００Ｗ程度）させるか、あるいはターゲットと基板との距離を徐々に又は急激に変化させる（変化させる範囲が元の距離の０．２〜３倍程度）方法、ターゲットとして第１保護膜材料を用いて成膜する際に圧力を徐々に又は急激に低下させる（低下させる圧力範囲が０．１〜２．０Ｐａ程度）方法等が挙げられる。

例えば、ＥＣＲプラズマスパッタ法で成膜する場合には、成膜速度を調整する際に、０．５ｎｍ／ｍｉｎ〜１０ｎｍ／ｍｉｎの範囲で成膜することが好ましい。また、マイクロ波電力は、３００〜１０００Ｗであって、ＲＦ電力は、１００Ｗ〜１０００Ｗ程度が好ましい。

また、基板の温度を徐々に又は急激に上昇または低下させる（変化させる温度範囲が５０〜５００℃程度）方法が挙げられる。なお、この後、任意に熱処理を行ってもよい。
特に、ＥＣＲプラズマスパッタ法でＡｌＮを成膜する場合、共振器端面がＭ面であれば、Ｍ軸（同軸）とＣ軸（安定）に配向させることができる。配向を制御するために成膜レートを制御する必要があり、成膜レート下げるとＭ軸の配向を引き継ぎやすくなる。成膜レートを下げるためには、ＲＦ電力を下げる、成膜ガス圧を下げる、窒素ガス分圧を上げる等が挙げられる。また、ＲＦ電力を上げる、成膜ガス圧を上げる、窒素ガス分圧を下げる等により、成膜レートを上げることにより、部分的にＭ軸配向及びＣ軸配向したＡｌＮを形成することが可能となる。このような条件によって、共振器端面上に形成された第１保護膜には、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向がＭ軸配向とＣ軸配向とで異なるように形成されたＡｌＮを成膜することが好ましい。これによって、窒化物半導体への応力を緩和し、第１保護膜の剥がれを防止することができ、ＣＯＤレベルを高出力駆動後も高く維持することが可能となる。
さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。

第１保護膜を成膜するより好ましい条件として、成膜速度２．５〜１０ｎｍ/ｍｉｎ、マイクロ波４００〜１０００Ｗ、ＲＦ４００〜１０００Ｗが挙げられる。雰囲気ガスにはＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスを用いることが適している。さらに、ＡｌＮを成膜する場合には、Ａｌをターゲットとし、窒素原料である窒素の流量を３〜８ｓｃｃｍとし、雰囲気ガスの流量を２５〜５０ｓｃｃｍとすることが好ましい。なお、第１保護膜の面内及び／又は膜厚方向における軸配向及び／又は格子定数の差異の形成は、これらのパラメータを組み合わせて、適宜調整することによって実現することができる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、端面保護膜として、図２Ａに示すように、第1保護膜２１の上に、さらに第２保護膜２２が積層されていることが好ましい。このような第２保護膜を形成することにより、端面保護膜をより強固に共振器端面に密着させることができる。第２保護膜としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ等の酸化物が挙げられ、なかでもＳｉＯ_２膜が好ましい。
第２保護膜は、単層構造、積層構造のどちらを用いてもよい。さらに、第２保護膜は、アモルファスの膜であることが好ましい。これにより、第1保護膜に形成された結晶の軸配向が異なる界面で応力を分断し、より応力を逃がしやすくすることができ、窒化物半導体層と第１保護膜の密着性をより良好なものとすることができる。

第２保護膜の膜厚は、上述した第１保護膜の膜厚よりも厚いことが好ましい。例えば、上述した第１保護膜と第２保護膜との総膜厚が０．１〜２μｍ以下が挙げられる。これにより上記の効果をより顕著なものとすることができる。

なお、図２Ｂ及び２Ｃに示すように、第１保護膜及び／又は第２保護膜は、出射側と反射側とでその材料や膜厚等が異なるものとしてもよい。出射面側の第２保護膜としては、ＳｉＯ_２の単層により形成されることが好ましい。反射面側の第２保護膜としては、ＳｉとＺｒとの酸化物の積層構造、ＡｌとＺｒの酸化物の積層構造等が挙げられる。所望の反射率に合わせて適宜その積層周期等を調整することができる。

アモルファスの第２保護膜は、上述した第１保護膜と同様に、例示した公知の方法等を利用して形成することができる。特に、アモルファスの膜とするために、その成膜方法にもよるが、成膜速度をより早いレートに調整する、成膜時の雰囲気を、例えば、酸素雰囲気に制御する、成膜圧力をより高く調整するなどのいずれか１つ又は２以上を組み合わせて成膜を制御することが好ましい。また、酸素雰囲気に制御する場合、吸収をもたない程度に酸素を導入することが好ましい。具体的な成膜条件としては、ＥＣＲプラズマスパッタ装置でＳｉターゲットを用いて成膜し、酸素の流量は、３〜２０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力は、３００〜１０００Ｗ、ＲＦ電力は、３００〜１０００Ｗ程度で成膜することが好ましい。

本発明の窒化物半導体レーザ素子を形成するために用いる基板は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。基板としては、例えば、第１主面及び／又は第２主面に０°以上１０°以下のオフ角を有する窒化物半導体基板であることが好ましい。その膜厚は、例えば、５０μｍ以上１０ｍｍ以下が挙げられる。なお、例えば、特開２００６−２４７０３号公報に例示されている種々の基板等の公知の基板、市販の基板等を用いてもよい。窒化物半導体基板は、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。

窒化物半導体層としては、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。

窒化物半導体層は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよく、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０^１６／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３程度の濃度範囲で含有されていることが好ましい。なお、第１導電型と第２導電型とは、いずれがｎ型及びｐ型であってもよい。

第１導電型及び第２導電型半導体層は、それぞれ、単層、多層又は超格子構造のクラッド、ガイド、キャップ、コンタクト、クラック防止などの機能を有する層を、目的とする特性を有する半導体レーザ素子を得るために、適所に、適切な構造及び組成で形成することができる。また、第１導電型及び第２導電型半導体層は、それらを構成する少なくとも１層がｎ型又はｐ型であればよく、全てがｎ型又はｐ型を示さなくてもよい。

活性層は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれかであることが好ましい。また、Ｉｎを含有する層を備えていることが好ましい。この場合のＩｎの平均混晶は、０％より大きく、１５％以下であることが適しており、０．５〜１０％程度であることが好ましく、０．５〜７％程度であることがより好ましい。

窒化物半導体層は、ｎ側半導体層とｐ側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とすることが好ましい。但し、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。
また、本発明では、特に発振波長が３７０ｎｍ〜５００ｎｍのものにおいて、端面保護膜の剥がれを防止し、ＣＯＤレベルを向上させることができる。

窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤは結晶性良く成長させることができるので好ましい。

窒化物半導体層、つまり、第２導電型半導体層の表面には、リッジが形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度、１．０μｍ〜８．０μｍ程度、さらに、１．０μｍ〜３．０μｍ程度が好ましい。その高さ（エッチングの深さ）は、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。また、第２導電型半導体層を構成する層の膜厚、材料等を調整することにより、光閉じ込めの程度を適宜調整することができる。リッジは、共振器方向の長さが２００μｍ〜５０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。また、共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であってもよい。この場合のテーパー角は４５°〜９０°程度が適当である。

なお、窒化物半導体層によって形成される共振器端面は、Ｍ面（１−１００）、Ａ面（１１−２０）、Ｃ面（０００１）又はＲ面（１−１０２）のいずれであってもよいが、Ｍ面であることが好ましい。劈開により、容易かつ高精度で形成することができるからである。

通常、窒化物半導体層の表面及びリッジの側面にわたって、埋込膜が形成されている。つまり、埋め込み膜は、窒化物半導体層上であって、窒化物半導体層と後述する電極とが直接接触する領域以外の領域に形成されている。なお、窒化物半導体層と電極との接続領域としては、特にその位置、大きさ、形状等は限定されず、窒化物半導体層の表面の一部、例えば、窒化物半導体層の表面に形成されるストライプ状のリッジ上面のほぼ全面が例示される。

埋込膜は、一般に、窒化物半導体層よりも屈折率が小さな絶縁材料によって形成されている。屈折率は、エリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０等を用いて測定することができる。例えば、埋込膜は、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜又は誘電体膜の単層又は積層構造が挙げられる。また、埋込膜は、単結晶であってもよいし、多結晶又はアモルファスであってもよい。このように、リッジの側面から、リッジの両側の窒化物半導体表面にわたって保護膜が形成されていることにより、窒化物半導体層、特に第２導電型半導体層に対する屈折率差を確保して、活性層からの光の漏れを制御することができ、リッジ内に効率的に光閉じ込めができるとともに、リッジ基底部近傍における絶縁性をより確保することができ、リーク電流の発生を回避することができる。

埋込膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等）、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。

本発明における電極は、第１導電型及び第２導電型窒化物半導体層と電気的に接続された一対の電極である。
電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５０〜５００ｎｍ程度が適当である。

第２導電型窒化物半導体層に接続する電極は、窒化物半導体層及び埋込膜上に形成されることが好ましい。
第1導電型窒化物半導体層に接続する電極は、直接第１導電型窒化物半導体層上に形成されていてもよいし（例えば、基板に対してp−電極と同じ面側に形成)、基板上に形成されていてもよい。

また、埋込膜上には、第３保護膜が形成されていることが好ましい。第３保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において埋込膜上に配置されていればよく、埋込膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。第３保護膜は、埋込膜で例示したものと同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した側面又は表面等を確実に保護することができる。
窒化物半導体層の側面から、上面にかけて、埋込膜、電極及び第３保護膜の上面には、パッド電極等、単数又は複数の導電層が形成されていることが好ましい。

以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図１及び図２Ｃに示すように、基板１１上に、第１窒化物半導体層１２、活性層１３及び表面にリッジ１６が形成された第２窒化物半導体層１４をこの順に積層しており、共振器が形成されて構成されている。このような窒化物半導体レーザ素子は、共振器端面の光出射面側に第１保護膜２１、第２保護膜２２、反射面側に保護膜２１ａ、第２保護膜２２ａ、埋込膜１５、ｐ電極１７、ｎ電極２０、第３保護膜１８、パッド電極１９等が形成されている。
共振器端面は、Ｍ軸配向を有する窒化物半導体層により形成されており、第１保護膜は、面内において軸配向が異なるＡｌＮからなり、膜厚は３０ｎｍ程度である。

この窒化物半導体レーザ素子は、以下のように製造することができる（図３参照）。
まず、窒化ガリウム基板（図示せず）を準備する。反応容器内で、この窒化ガリウム基板上に、１１６０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを４×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎよりなるｎ側クラッド層１２ｂを膜厚２μｍで成長させる。なお、このｎ側クラッド層１２ｂは超格子構造とすることもできる。

続いて、シランガスを止め、１０００℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１２ａを０．１７５μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層１２ａにｎ型不純物をドープしてもよい。

次に、温度を９００℃にして、ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる障壁層１３ｂを１４ｎｍの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎよりなる井戸層１３ａを８ｎｍの膜厚で成長させる。障壁層１３ｂと井戸層１３ａとを２回交互に積層し、最後にアンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる障壁層１３ｂで終わり、総膜厚５８ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１３を成長させる。

温度を１０００℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなるｐ側キャップ層１４ａを１０ｎｍの膜厚で成長させる。なお、このｐ側キャップ層１４ａは省略可能である。

続いて、Ｃｐ_２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０００℃で、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１４ｂを０．１４５μｍの膜厚で成長させる。

次に、１０００℃でアンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎよりなる層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ₂Ｍｇを用いてｐ型ＧａＮよりなる層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１４ｃを成長させる。

最後に、１０００℃で、ｐ側クラッド層１４ｃの上に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層（図示せず）を１５ｎｍの膜厚で成長させる。

このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ_２からなるマスクを形成して、このマスクを用いて、窒化物半導体層をエッチングして、８００μｍの長さ（共振器長に対応する）のストライプ構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。共振器長は、２００μｍ〜５０００μｍ程度の範囲であることが好ましい。

次に、ｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ_２からなるストライプ状のマスクを形成し、このマスクを用いて、ｐ側コンタクト層の表面をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、ＳｉＣｌ_４ガスを用いてエッチングする。これにより、ストライプ状の導波路領域であるリッジ部１６を幅１．５μｍで形成する。

このリッジ部の側面をＺｒＯ_２からなる埋込層１５で保護する。
次いで、ｐ側コンタクト層及び埋込膜上の表面にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）よりなるｐ電極１７を形成する。ｐ電極を形成した後、６００℃でオーミックアニールを行う。その後、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる第３保護膜を埋込膜の上及び半導体層の側面に０．５μｍの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。

次に、第３保護膜で覆われていない露出しているｐ電極上に連続して、Ｎｉ（８ｎｍ）／Ｐｄ（２００ｎｍ）／Ａｕ（８００ｎｍ）からなるｐパッド電極１９を形成する。
その後、基板厚みが８０μｍになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨する。

研磨した面に、Ｖ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）よりなるｎ電極２０を形成する。
ｎ電極とｐ電極及びｐパッド電極とを形成したウェハ状の窒化物半導体基板の第１の主面側に、けがきによって、凹部溝を形成する。この凹部溝は、例えば、深さを１０μｍとする。また、共振器端面と平行方向に、側面から５０μｍ、垂直方向に１５μｍの幅とする。次に、この凹部溝を劈開補助溝として窒化物半導体基板のｎ電極の形成面側からバー状に劈開し、劈開面を（１−１００）面として共振器端面を作製する。

共振器端面の光出射面側に、第１保護膜２１を形成し、その上にさらに第２保護膜２２を形成する。
つまり、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で、Ａｌターゲットを用いて、Ａｒの流量が３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量が１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力８００Ｗ、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎの条件で、膜厚３０ｎｍのＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する。

続いて、出射面側の共振器端面にスパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、酸素の流量が５ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗの条件でＳｉＯ_２からなる第２保護膜２２を２５０ｎｍの膜厚で成膜する。

また、反射面側には、Ａｌ_２Ｏ_３からなる保護膜２３を膜厚６２ｎｍで成膜し、その上に（ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２）を、膜厚（６７ｎｍ／４４ｎｍ）で６周期成膜した保護膜２４を形成する。

最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子とする。

得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構成を検証するために、窒化物半導体レーザ素子の断面を電界放出型透過電子顕微鏡（ＪＥＭ−２０１０Ｆ）により観察し、明視野ＴＥＭ像を測定した。これは、第１保護膜をカメラ長５０ｃｍにＧａＮ(１１−２０)面方向から電子線を入射することにより測定できる。

図３で示した第１保護膜２１における各ポイントでの軸配向の状態を、電子線回折像として、図４に示す。

図４の写真から、図３に示すように、窒化物半導体層の組成によって、共振器端面に対して、面内で軸配向が異なる第１保護膜を形成することができることがわかる。

ＡｌＮの膜厚の増加に伴って、Ｍ軸配向とＣ軸配向が混在する領域において、Ｃ軸配向に変化することが認められた。このＣ軸配向への変化は、窒化物半導体層の組成によって、５〜２０ｎｍ程度に現れることが観察された。
このように、得られた電子線回折像から、第１保護膜の結晶を構成する元素の配列の様子を視覚的に捉えることができる。

なお、共振器面近傍の膜を観察する場合は、窒化物半導体層を構成するＧａＮの回折点が観察される場合もある。この場合、ＧａＮの回折点を分離して解析することもできる。

得られた半導体レーザ素子について、Ｔｃ＝８０℃、Ｐｏ＝３２０ｍＷ、発振波長４０５ｎｍで高出力連続発振させる前後の光出力を測定した。その結果を図５に示す。
図５においては、細線で示したデータが高出力連続発振前のＩ−Ｌ特性を示し、太線で示したデータが高出力連続発振後のＩ−Ｌ特性を示す。

図５によれば、高出力連続発振の前後においても、ＣＯＤレベルは殆ど変化することなく、高いまま維持されることが分かった。
このように、この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、共振器端面を構成する窒化物半導体に対して応力を生じさせることなく、窒化物半導体へのクラックの発生を防止し、共振器端面との密着性が良好で、剥がれを防止した端面保護膜を得ることができる。これによって、ＣＯＤレベルを向上させた、高性能及び高出力の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。

実施例２
図２Ｂに示すように、実施例１における共振器端面の保護膜を、リア側において、ＡｌＮ（３２ｎｍ）からなる第１保護膜２１ａ及びＳｉＯ_２（２５０ｎｍ）からなる第２保護膜２２ａとする以外、実質的に実施例１と同様の構成、方法の半導体レーザ素子を形成する。
得られた半導体レーザ素子は、実施例１と同様の第１保護膜の結晶性を有し、同様にＣＯＤレベルを向上させることができる。

実施例３
実施例１における共振器端面の保護膜を、フロント側において、ＡｌＮ（２０ｎｍ）とする以外、実質的に実施例１と同様の構成、方法の半導体レーザ素子を形成する。
図６に示すように、得られた半導体レーザ素子の第１保護膜３１は、窒化物半導体層の積層方向に、結晶の軸配向が異なる領域が認められた。図６に示す各ポイントにおける電子線回折像は、図４に示したものと略同様である。
得られた半導体レーザ素子は、実施例１と同様の第１保護膜の結晶性を有し、同様にＣＯＤレベルを向上させることができる。

実施例４
実施例１における共振器端面の保護膜を、フロント側において、ＡｌＮ（１０ｎｍ）とする以外、実質的に実施例１と同様の構成、方法の半導体レーザ素子を形成する。
図７に示すように、得られた半導体レーザ素子の第１保護膜４１は、窒化物半導体層の積層方向に、結晶の軸配向が異なる領域が認められた。図７に示す各ポイントにおける電子線回折像は、図４に示したものと略同様である。
得られた半導体レーザ素子は、実施例１と同様の第１保護膜の結晶性を有し、同様にＣＯＤレベルを向上させることができる。

実施例５
実施例５では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、Ａｒの流量を５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例６
実施例６では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を６ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例７
実施例７では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、最初に、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力８００Ｗ、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎとし、その後、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例８
実施例８では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、最初に、Ａｒの流量を５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎとし、その後、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例９
実施例９では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、最初に、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を６ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎとし、その後、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例１０
実施例１０では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する際、最初に、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度２ｎｍ／ｍｉｎとし、その後、ウェハとターゲットとの間の距離を、２０ｍｍ遠ざけ、Ａｒの流量を３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量を１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗ、成膜速度１．７ｎｍ／ｍｉｎの条件とする以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例１１
実施例１１では、共振器端面にＡｌＮからなる第１保護膜２１を１０ｎｍ、で形成する以外、実質的に実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の軸配向は、いずれの窒化物半導体層の上においても、第１保護膜の膜厚方向ではほとんど変化せず、第１保護膜の面内においてのみ、実施例１と同様の差異が認められた。

実施例１２
共振器端面の光出射面側に、ＥＣＲプラズマスパッタ装置を用いて、Ａｒの流量が５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量が５ｓｃｃｍ、マイクロ波電力８００Ｗ、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜速度７ｎｍ／ｍｉｎの条件で、膜厚３０ｎｍのＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成する以外、実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。

実施例１２で得られた窒化物半導体レーザ素子を、実施例１と同様に、電界放出型透過電子顕微鏡にて観察し、その模式図を図８に示す。
図８によれば、窒化物半導体層の組成によって、共振器端面に対して、面内で軸配向が異なり、ＩｎＧａＮ層を含む窒化物半導体層上では大部分が、窒化物半導体層の共振器面とは結晶配向の異なる第１保護膜を形成することができた。

第１保護膜（ＡｌＮ）の膜厚の増加に伴って、Ｍ軸配向とＣ軸配向が混在する領域において、Ｃ軸配向に変化することが認められた。このＣ軸配向への変化は、窒化物半導体層の組成によって、５〜２０ｎｍ程度に現れることが観察された。

得られた半導体レーザ素子について、実施例１と同様に、光出力を測定したところ、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。

このように、この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、共振器端面を構成する窒化物半導体に対して応力を生じさせることなく、窒化物半導体へのクラックの発生を防止し、共振器端面との密着性が良好で、剥がれを防止した端面保護膜を得ることができる。これによって、ＣＯＤレベルを向上させた、高性能及び高出力の窒化物半導体レーザ素子を得ることができることが確認された。

実施例１３
活性層１３を、ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる障壁層１３ｂを１４ｎｍの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎよりなる井戸層１３ａを８ｎｍの膜厚で成長させ、障壁層１３ｂと井戸層１３ａとを２回交互に積層し、最後にアンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる２８ｎｍの膜厚の障壁層１３ｂで終わり、総膜厚７２ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とし、さらに、共振器端面の光出射面側に、ＥＣＲプラズマスパッタ装置を用いて、Ａｒの流量が５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量が５ｓｃｃｍ、マイクロ波電力８００Ｗ、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜速度７ｎｍ／ｍｉｎの条件で、膜厚３０ｎｍのＡｌＮからなる第１保護膜５１を形成する以外、実施例１と同様に窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例１４
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、実施例１の方法に準じて、以下のように製造することができる。

まず、窒化ガリウム基板上に、１１００℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを４×１０^１８／ｃｍ³ドープしたＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなるｎ層を膜厚１μｍ成長させる。続いて、９３０℃でＳｉドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを０．１５μｍの膜厚で成長させる。１０００℃でＳｉを４×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなる層を膜厚２μｍで成長させる。なお、このｎ側クラッド層は超格子構造とすることもできる。
１０００℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層を０．３μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層の一部および全部にｎ型不純物をドープしてもよい。

次に、温度を９００℃にして、ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる第１障壁層を７０ｎｍの膜厚で成長させ、第１障壁層の上に膜厚が１ｎｍアンドープＧａＮ層を形成する。続いて８５０℃で、アンドープＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎよりなる井戸層を３ｎｍの膜厚で成長させる。この後、９００℃にして、アンドープＧａＮを１４ｎｍ、続いて８５０℃にし、アンドープＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎよりなる井戸層を３ｎｍの膜厚で成長させる。最後に障壁層アンドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ７０ｎｍで終わる。

実施例１と同様に、ｐ側キャップ層を形成する。
続いて、Ｃｐ_２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０００℃で、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層を０．３μｍの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層には、一部および全部にp型不純物をドープしてもよい。

次に、実施例１と同様に、ｐ側クラッド層を成長させ、最後に、ｐ側コンタクト層を１５ｎｍの膜厚で成長させる。

このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、実施例１と同様に、レーザ素子の共振器本体となるストライプ状構造を形成する。

次に、ｐ側コンタクト層の表面にストライプ状のＳｉＯ_２よりなる膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＳｉＣｌ_４ガスによりエッチングし、ストライプ状の導波路領域であるリッジ部１６を幅２．０μｍで形成する。
このリッジ部の側面をＺｒＯ_２からなる２００ｎｍの埋込層１５で保護する。
続いて、実施例１と同様に、ｐ電極１７及び第３保護膜を形成し、オーミックアニールを行う。
次に、実施例１と同様に、ｐパッド電極を形成し、基板を研磨する。

共振器端面の光出射面側に、ＡｌＮからなる第１保護膜２１を形成し、その上にさらにＳｉＯ_２からなる第２保護膜２２を形成する。
つまり、ＥＣＲプラズマスパッタ装置を用いて、Ａｒの流量が３０ｓｃｃｍ、Ｎ_２の流量が１０ｓｃｃｍ、マイクロ波電力８００Ｗ、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜速度３ｎｍ／ｍｉｎの条件で、膜厚１０ｎｍのＡｌＮからなる第１保護膜を形成する。

続いて、出射面側の共振器端面にスパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、酸素の流量が５ｓｃｃｍ、マイクロ波電力５００Ｗ、ＲＦ電力５００Ｗの条件でＳｉＯ_２からなる第２保護膜２２を２９５ｎｍの膜厚で成膜する。

また、反射面側には、ＺｒＯ_２を膜厚４９ｎｍで成膜し、その上に（ＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２）を、膜厚（７５ｎｍ／４９ｎｍ）で６周期成膜した保護膜２４を形成する。
最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子とする。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

実施例１５
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、端面保護膜として、共振器端面側から順に、ＡｌＮ３２ｎｍ、ＳｉＯ_２２６０ｎｍ、ＺｒＯ_２４５ｎｍを形成する以外は、実施例１と同様の方法で形成する。
得られた窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜の構造及び特性は、いずれも実質的に実施例１と同様である。

本発明は、レーザダイオード素子（ＬＤ）のみならず、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、スーパーフォトルミネセンスダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられるような、端面保護膜と半導体層との密着性を確保する必要がある窒化物半導体素子に広く適用することができる。特に、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定、バイオ関連の励起用光源等における窒化物半導体レーザ素子に利用することができる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜を説明するための要部の概略断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の断面における第１保護膜の軸配向を観察したＴＥＭ像を模式的に示した図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の第１保護膜における各ポイントの配向性を示す電子線回折像である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の高出力駆動前後での光出力−電流の関係を示すグラフである。 本発明の別の窒化物半導体レーザ素子の断面における第１保護膜の軸配向を観察したＴＥＭ像を模式的に示した図である。 本発明のさらに別の窒化物半導体レーザ素子の断面における第１保護膜の軸配向を観察したＴＥＭ像を模式的に示した図である。 本発明のさらに別の窒化物半導体レーザ素子の断面における第１保護膜の軸配向を観察したＴＥＭ像を模式的に示した図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の断面における第１保護膜の軸配向の状態を模式的に示した図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 第１導電型半導体層
１２ａ ｎ側光ガイド層
１２ｂ ｎ側クラッド層
１３ 活性層
１３ａ 井戸層
１３ｂ 障壁層
１４ 第２導電型半導体層
１４ａ ｐ側キャップ層
１４ｂ ｐ側光ガイド層
１４ｃ ｐ側クラッド層
１５ 埋込膜
１６ リッジ
１７ 電極
１８ 第３保護膜
１９ パッド電極
２０ 電極
２１、３１、４１、５１、６１ 出射面側の第１保護膜
２２ 出射面側の第２保護膜
２１ａ、２３ 反射面側の保護膜
２２ａ、２４ 反射面側の第２保護膜

Claims (16)

1. 第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成されたＭ面が露出した共振器端面と、該共振器端面に形成されたＡｌＮからなる保護膜とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
   前記保護膜は、前記窒化物半導体層の積層方向に、少なくともＭ軸配向及びＣ軸配向のいずれかを示す結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記保護膜は、前記窒化物半導体層の積層界面上において、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向が異なる請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記保護膜は、少なくとも前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮより大きい層上において、前記共振器端面と同軸配向の結晶構造を有する請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記保護膜は、前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮ以下の層上において、前記共振器端面と異軸配向の結晶構造を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記保護膜は、少なくとも前記窒化物半導体層の格子定数がＧａＮより小さい層上において、前記共振器端面と同軸配向の結晶構造を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記保護膜は、前記窒化物半導体層の格子定数がＧａＮ以上の層上において、前記共振器端面と異軸配向の結晶構造を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記活性層は、井戸層と障壁層とを有する単一又は多重量子井戸構造であり、前記保護膜は、前記井戸層と障壁層との積層界面上において、窒化物半導体層の積層方向に結晶の軸配向が異なる請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記保護膜は、少なくとも光出射面側の共振器端面に形成されたものである請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記保護膜は、該保護膜の積層方向に、軸配向が変化している請求項１〜８のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記保護膜は、５〜１００ｎｍの膜厚を有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
11. 前記保護膜は、前記窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＮより大きい層上でＭ軸配向の結晶構造を有し、かつバンドギャップエネルギーがＧａＮ以下の層上でＣ軸配向の結晶構造を有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
12. 前記窒化物半導体層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層を有しており、前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層は、前記窒化物半導体層の積層方向にＣ軸配向の結晶構造を有し、かつ、前記保護膜は、前記共振器端面に垂直方向にＣ軸配向の結晶構造を有する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
13. 前記保護膜は、窒化物半導体層と格子整合している領域を有する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
14. 第１導電型の窒化物半導体層と、活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成されたＭ面が露出した共振器端面と、該共振器端面に形成されたＡｌＮからなる保護膜とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記保護膜は、前記共振器端面との接触界面において該共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
15. 第１導電型の窒化物半導体層と、量子井戸構造をした活性層と、第１導電型とは異なる導電型の第２導電型の窒化物半導体層とが順に積層されてなる窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成されたＭ面が露出した共振器端面と、該共振器端面に形成されたＡｌＮからなる保護膜とを備えてなる窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記保護膜は、井戸層との接触界面から保護膜の膜厚方向に前記共振器端面とは結晶の軸配向が異なる領域を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
16. 前記活性層は、２以上の井戸層を備える多重量子井戸構造であり、前記保護膜は、両側の井戸層間の活性層上において、窒化物半導体層の積層方向に、同じ結晶の軸配向が連続してなる請求項１４又は１５に記載の窒化物半導体レーザ素子。

Images