JP7478205B2 - 窒化物系発光装置 - Google Patents

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Description

本開示は、窒化物系発光装置に関する。
現在、車用のヘッドライト光源として、ハロゲンランプ、ＨＩＤ（高輝度放電）ヘッドランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプが広く用いられている。
ハロゲンランプは、電球内部に封入する窒素、アルゴンなどの不活性ガスに、ハロゲンガスを微量入れ、内部のフィラメントに通電して、白熱させた際の発光を利用しており、従前より、広く用いられている。ＨＩＤランプは、ハロゲンランプと異なり、フィラメントを持たず、電球が切れることがなく、放電できる限り発光する。ＨＩＤランプは、一般的に、ハロゲンランプと比較して高価ではあるが、低消費電力でありながら、高輝度、長寿命という利点がある。ＬＥＤランプは、寿命が長く、取替えの手間もバルブのみの交換で済み、消費電力は、ＨＩＤよりも低く、発熱量も低い。ただし、ＬＥＤランプの明るさはＨＩＤと比較して劣るため、現状では、ヘッドライトとしては、主にＨＩＤランプが用いられており、フォグランプ、車のドレスアップ光源などに、ＬＥＤランプが用いられている。
また、昨今、ＬＥＤよりも発光強度の高い発光素子として、ＬＤ（レーザダイオード）を用いることによって発光強度を高めたレーザヘッドライト光源が注目されている。ヘッドライト光源に使用される発光素子としては、例えば、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温状態でワット級の高出力動作を行っても数千時間以上の長期動作を行うことができる超高出力青色半導体レーザが要望されている。
このような発光素子を実現するためには、レーザ発振動作中の発光素子の自己発熱による温度上昇を可能な限り抑制する必要がある。
自己発熱による温度上昇を抑制するためには、半導体レーザ素子の熱抵抗を低減することが重要である。
特許文献１に記載された半導体レーザ装置では、図５３に示すように、半導体レーザ素子の熱抵抗を低減するために、熱伝導率の高いダイヤモンドサブマウント基板にジャンクションダウンで半導体レーザ素子を実装している（特許文献１参照）。
また、素子の動作寿命を延ばすという観点から、図５４に示すように、半導体レーザ素子が実装されるサブマウント基板に凹凸を形成し、半導体レーザ素子の基板側が凸となるように実装後の形状を制御する技術が開示されている（特許文献２参照）。
国際公開第２０１３／１７５６９７号 特開２００３－３１８９５号公報
波長４５０ｎｍ帯の青色レーザにおいては、この波長帯でのレーザ発振を得るために、発光層となる量子井戸層に用いられるＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を０．１８（１８％）程度まで大きくする必要が有る。
一般的に、窒化物系半導体レーザに使用される窒化物材料は、ＩｎＮ、ＧａＮ及びＡｌＮの少なくとも二つを混合して形成される混晶半導体から形成される。ここで、ＩｎＮ、ＧａＮ及びＡｌＮの格子定数は、それぞれ、３．５４Å、３．１８２Å及び３．１１Åである。このとき、ＩｎＮとＧａＮとを混合して形成するＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大きくなるため、ＧａＮに対し格子不整が生じることになる。具体的には、青色レーザの発光層に使用されるＩｎ組成０．１９のＩｎＧａＮ量子井戸層とＧａＮ基板との格子不整は、２．１％の大きな値となる。
これに対し、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）用光ディスクシステム用途の、従来の波長４０５ｎｍ帯の青紫帯レーザでは、量子井戸に使用されるＩｎＧａＮのＩｎ組成は、０．０７（７％）程度である。この場合、ＧａＮ基板との格子不整は０．７４％の値である。このことから、波長４５０ｎｍ帯青色レーザにおいては、従来の波長４０５ｎｍ帯青紫色レーザと比較して量子井戸層に発生する応力は数倍大きくなる。応力の増大は格子欠陥の発生のみならず、窒化物材料のようなウルツァイト（ＷＺ）型結晶構造の結晶においては、結晶内部におけるピエゾ効果による電界の発生の原因となる。このようなピエゾ効果による電界は、活性層への電流注入の妨げとなる。この結果、動作電圧の増大、発光効率の低下などの現象が発生し得る。
高温高出力動作を実現するためには、発光層となる量子井戸活性層を、半導体レーザ素子が実装されるサブマウント基板に近い側に実装するジャンクションダウン実装を行うことにより、熱抵抗を低減し、半導体レーザ素子の温度上昇を抑制することが効果的である。この場合、量子井戸活性層と、サブマウントとの間の距離が近づくために、サブマウント材料と半導体レーザ素子との熱膨張係数の差に起因する量子井戸活性層に生じる応力は大きくなる。
また、ワット級動作を行うための窒化物系半導体レーザ素子においては、共振器端面近傍領域の量子井戸活性層に電流非注入窓領域を形成し、共振器端面での非発光再結合により生じた発熱による活性層のバンドギャップエネルギーの縮小を抑制し、自らの光により共振器端面が破壊されるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）の発生を抑制する必要がある。
ここで、量子井戸活性層の応力により発生するピエゾ電界が、半導体レーザ素子に注入された電流が共振器端面方向に流れやすくなるような向きに発生した場合、上記の電流非注入窓領域には電流が漏れやすくなるため、非発光再結合が生じやすくなる。この結果、半導体レーザ素子のＣＯＤレベルの低下を招くことになる。
したがって、波長４５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子において、８５℃の高温状態でワット級の高出力動作を行う場合に数千時間以上の長期動作保証を行うためには、熱抵抗の低減による、半導体レーザ素子の温度上昇の抑制だけでは必ずしも十分ではない。すなわち、半導体レーザ素子の温度上昇の抑制に加えて、発光層となる量子井戸活性層に生じる応力を制御することによって共振器端面近傍の電流非注入窓領域への電流の拡がりを抑制し、電流が注入される量子井戸活性層への電流注入効率向上を行う必要がある。
そこで、本開示は、量子井戸活性層の温度上昇の低減、及び、量子井戸活性層への電流注入効率向上を同時に実現できる窒化物系発光装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る窒化物系発光装置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）基板の上に、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側から順に第１導電型の第１クラッド層、第１光ガイド層、量子井戸活性層、第２光ガイド層、及び、第２導電型の第２クラッド層が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板とを備え、前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板とが対向するように前記サブマウント基板に実装されており、前記サブマウント基板は、ダイヤモンドで形成されており、前記窒化物系半導体発光素子には、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側に凹型の反りが形成されている。
本開示によれば、量子井戸活性層の温度上昇の低減、及び、量子井戸活性層への電流注入効率向上を同時に実現できる窒化物系発光装置を提供することができる。
図１Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の共振器端近傍の構成を示す模式的な断面図である。 図２は、量子井戸活性層のバンド構造を示す図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の一例の外観を示す模式的な側面図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の他の例の外観を示す模式的な側面図である。 図４は、サブマウント基板がダイヤモンドで形成される場合のせん断応力及びピエゾ電界の共振器長方向における分布を示すグラフである。 図５は、サブマウント基板がダイヤモンドで形成される場合のせん断応力及びピエゾ電界の共振器長方向における分布を示すグラフである。 図６は、サブマウント基板がＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成される場合のせん断応力及びピエゾ電界の共振器長方向における分布を示すグラフである。 図７Ａは、反りΔＲの定義を説明する概略図である。 図７Ｂは、多層構造の平均歪みと反りΔＲとの関係を示すグラフである。 図８Ａは、実施の形態１に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の一例を示すグラフである。 図８Ｂは、図８Ａにおける量子井戸活性層部分の拡大図である。 図８Ｃは、実施の形態１に係る多層構造の成長層方向における平均歪みεｔａｖｅの分布の一例を示すグラフである。 図９Ａは、ピエゾ効果を考慮した場合の量子井戸活性層で得られる利得の波長及びキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。 図９Ｂは、ピエゾ効果を考慮しない場合の量子井戸活性層で得られる利得の波長及びキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。 図９Ｃは、利得の量子井戸活性層に注入されたキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。 図１０は、量子井戸層に発生するピエゾ電界のバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。 図１１は、半導体レーザ素子の１００ｍＡ動作時における動作電圧のバリア層のＩｎ組成依存性を計算した結果を示すグラフである。 図１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子のピエゾ電界と利得との関係を示す図である。 図１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の利得のキャリア濃度依存性を示すグラフである。 図１４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位（フェルミエネルギー）と伝導帯エネルギーとの関係を示すグラフである。 図１４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位と価電子帯エネルギーとの関係を示すグラフである。 図１４Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位と伝導帯エネルギーとの関係から決まる電子及びホールの濃度分布を示すグラフである。 図１５は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の各光ガイド層におけるキャリア濃度とバリア層及び各光ガイド層のＩｎ組成との関係を示す図である。 図１６Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１６Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。 図１６Ｃは、実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１６Ｄは、実施の形態１の変形例に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１７Ａは、実施の形態１に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の他の例を示すグラフである。 図１７Ｂは、実施の形態１に係る多層構造の成長層方向における平均歪みの分布の他の例を示すグラフである。 図１８Ａは、実施の形態２に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の他の例を示すグラフである。 図１８Ｂは、実施の形態２に係る多層構造の成長層方向における平均歪みの分布の他の例を示すグラフである。 図１９Ａは、比較例に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層及び第２光ガイド層の合計厚との関係を示すグラフである。 図１９Ｂは、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層及び第２光ガイド層の合計厚との関係の一例を示すグラフである。 図１９Ｃは、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層及び第２光ガイド層の合計厚との関係の他の例を示すグラフである。 図２０は、実施の形態２に係る多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅとバッファ層１０２を構成するＩｎＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層の各膜厚との関係を示すグラフである。 図２１Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のせん断応力分布を示す図である。 図２１Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のピエゾ電界分布を示す図である。 図２１Ｃは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のピエゾ電位分布を示す図である。 図２２Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のせん断応力分布を示す図である。 図２２Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のピエゾ電界分布を示す図である。 図２２Ｃは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、２５℃でのｘ軸方向のピエゾ電位分布を示す図である。 図２３Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のせん断応力分布を示す図である。 図２３Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のピエゾ電界分布を示す図である。 図２３Ｃは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のピエゾ電位分布を示す図である。 図２４Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のせん断応力分布を示す図である。 図２４Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のピエゾ電界分布を示す図である。 図２４Ｃは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層における、１５０℃でのｘ軸方向のピエゾ電位分布を示す図である。 図２５Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をダイヤモンドで形成されたサブマウント基板に実装した場合の２５℃及び８５℃での電流－光出力特性の測定結果を示すグラフである。 図２５Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をＳｉＣで形成されたサブマウント基板に実装した場合の２５℃及び８５℃での電流－光出力特性の測定結果を示すグラフである。 図２６Ａは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図２６Ｂは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。 図２７Ａは、第３光ガイド層のＩｎ組成を０％と変化させた場合の量子井戸活性層における量子井戸層での、２５℃におけるせん断応力のｘ軸方向分布を示すグラフである。 図２７Ｂは、第３光ガイド層のＩｎ組成を１％と変化させた場合の量子井戸活性層における量子井戸層での、２５℃におけるせん断応力のｘ軸方向分布を示すグラフである。 図２７Ｃは、第３光ガイド層のＩｎ組成を２％と変化させた場合の量子井戸活性層における量子井戸層での、２５℃におけるせん断応力のｘ軸方向分布を示すグラフである。 図２８は、実施の形態３に係る量子井戸活性層に生じるピエゾ電位とｘ軸方向位置との関係を示すグラフである。 図２９Ａは、実施の形態４に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図２９Ｂは、実施の形態４に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３０Ａは、実施の形態５に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３０Ｂは、実施の形態５に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３１Ａは、実施の形態６に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３１Ｂは、実施の形態６に係る半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。 図３２Ａは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の２５℃における量子井戸層に生じるせん断応力の計算結果を示す図である。 図３２Ｂは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の２５℃における量子井戸層に生じるピエゾ電界の計算結果を示す図である。 図３２Ｃは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の２５℃における量子井戸層に生じるピエゾ電位の計算結果を示す図である。 図３３Ａは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の１５０℃における量子井戸層に生じるせん断応力の計算結果を示す図である。 図３３Ｂは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の１５０℃における量子井戸層に生じるピエゾ電界の計算結果を示す図である。 図３３Ｃは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の１５０℃における量子井戸層に生じるピエゾ電位の計算結果を示す図である。 図３４は、実施の形態７に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３５は、実施の形態７の変形例に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３６は、実施の形態８に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３７は、実施の形態８の変形例に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図３８Ａは、主面がＣ面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層及び第２クラッド層を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層近傍のバンド構造を示す図である。 図３８Ｂは、主面が半極性面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層及び第２クラッド層を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層近傍のバンド構造を示す図である。 図３８Ｃは、主面が無極性面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層及び第２クラッド層を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層近傍のバンド構造を示す図である。 図３９Ａは、Ｃ面上に多層構造を形成した半導体レーザ素子における１００ｍＡ動作時の動作電圧の各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。 図３９Ｂは、半極性面上に多層構造を形成した半導体レーザ素子における１００ｍＡ動作時の動作電圧の各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。 図３９Ｃは、無極性面上に多層構造を形成した半導体レーザ素子における１００ｍＡ動作時の動作電圧の各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。 図４０は、多層構造の平均歪みεｔａｖｅの各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。 図４１は、レーザ素子の中央部近傍の側壁に形成される半田材料のはみ出しを示す図である。 図４２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装する直前の状態を示す模式的な断面図である。 図４３は、実施の形態９に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装する直前の状態を示す模式的な断面図である。 図４４は、実施の形態９に係る半導体レーザ装置の構造を示す模式的な断面図である。 図４５Ａは、実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子の構成を示す模式的な断面図である。 図４５Ｂは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＰ側多層電極の基板法線方向視における形状の一例を示す模式的な平面図である。 図４５Ｃは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＰ側多層電極の基板法線方向視における形状の他の一例を示す模式的な平面図である。 図４５Ｄは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＰ側多層電極の基板法線方向視における形状のさらに他の一例を示す模式的な平面図である。 図４５Ｅは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＮ側電極の基板法線方向視における形状の一例を示す模式的な平面図である。 図４５Ｆは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＮ側電極の基板法線方向視における形状の他の一例を示す模式的な平面図である。 図４５Ｇは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＮ側電極の基板法線方向視における形状のさらに他の一例を示す模式的な平面図である。 図４６は、実施の形態１０に係るサブマウント基板の形状を示す斜視図である。 図４７は、実施の形態１０に係るサブマウント基板に形成される電極の構造を示す図である。 図４８Ａは、傾斜部に接合層が形成されていないサブマウント基板に半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置の構造を示す模式的な断面図である。 図４８Ｂは、傾斜部に接合層が形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置の構造を示す模式的な断面図である。 図４９Ａは、傾斜部に接合層が形成されていないサブマウント基板に、電流非注入窓領域が形成された半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置の構造を示す模式的な断面図である。 図４９Ｂは、傾斜部に接合層が形成されたサブマウント基板に、電流非注入窓領域が形成された半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置の構造を示す模式的な断面図である。 図５０は、実施の形態１１に係る光モジュールの一例の構造を示す図である。 図５１は、実施の形態１２に係る光モジュールの一例の構造を示す断面図である。 図５２は、実施の形態１３に係る光源の構成の一例を示す断面図である。 図５３は、従来の半導体発光装置の構成の一例を示す断面図である。 図５４は、従来の半導体発光装置の構成の他の例を示す断面図である。
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施の形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見について説明する。
上述のとおり、ヘッドライトの光源に使用される発光素子として、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温でワット級の高出力動作を行う場合においても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力の青色半導体レーザ装置が要望されている。このような超高出力の青色半導体レーザで蛍光体を励起し、黄色光を得ることができれば、照射光全体として白色の超高出力光源を得ることが可能となる。
このような高信頼性の超高出力の青色半導体レーザ装置を実現するためには、レーザ発振動作中の半導体レーザ素子の温度上昇を可能な限り抑制する必要がある。このためには、高放熱性のサブマウントに半導体レーザ素子をジャンクションダウンで実装し、半導体レーザ素子の熱抵抗を小さくすることが非常に効果的である。以下、従来の半導体発光装置の構成について図面を用いて説明する。図５３は、従来の半導体発光装置の構成の一例を示す断面図である。図５４は、従来の半導体発光装置の構成の他の例を示す断面図である。図５３及び図５４は、それぞれ、特許文献１及び特許文献２に開示された半導体発光装置の構成を示している。
例えば、特許文献１に係る半導体発光装置３００では、図５３に示すように、窒化物発光素子３１０をダイヤモンドからなるサブマウント基板３１１上にジャンクションダウンで実装し、素子の熱抵抗を低減する方法が開示されている。ダイヤモンドは熱伝導率が１０００Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上と、他のサブマウントに使用されている材料例えばＳｉＣ（熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、ＡｌＮ（熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）などと比較して非常に大きく、高放熱性を実現するために適している。
しかしながら、ＧａＮ結晶の（０００１）面（Ｃ面）を主面とするＧａＮ基板を用いる場合、ＧａＮはウルツァイト（ＷＺ）型結晶構造であるため、その原子配列に起因して、物性として圧電性（ピエゾ効果）を有することが知られている。この場合、結晶に応力が印加されるとその応力に応じた分極によるピエゾ電界が結晶中に生じることになる。
また、前述のように、ワット級動作を行うための窒化物系半導体レーザ素子においては、共振器端面近傍領域の量子井戸活性層に電流非注入窓領域を形成することによって、共振器端面での非発光再結合により生じた発熱による量子井戸活性層のバンドギャップエネルギーの縮小を抑制する必要がある。これによりＣＯＤの発生を抑制し得る。
ところが、量子井戸活性層の応力により発生するピエゾ電界が、半導体レーザ素子に注入された電流が共振器端面方向に流れやすくなるような向きに発生する場合があり得る。この場合、上記の電流非注入窓領域には電流が漏れやすくなるため、非発光再結合が生じやすくなる。この結果、発熱を生じ、半導体レーザ素子のＣＯＤレベルの低下を招くことになる。
８５℃の高温状態でワット級の高出力動作中の半導体レーザ素子では、電流注入の大きさは数Ａ以上となるため、量子井戸活性層に生じるピエゾ電界の向きを、半導体レーザ素子に注入された電流が共振器端面方向に流れにくい向きに制御する必要がある。これにより共振器端面方向への漏れ電流の発生を極力抑制しなければ、共振器端面付近に電流非注入窓領域を形成したとしても、ＣＯＤレベルの低下に伴い半導体レーザ素子が劣化し得る。
ピエゾ電界の向きを、半導体レーザ素子に注入された電流が共振器端面方向に流れにくい向きに制御する方法については、特許文献１にはなんら開示されていない。
また、特許文献２に係る半導体発光装置４００では、図５４に示すように、ＧａＮ基板４０１上の発光素子４０２を、凸状の形状のサブマウント基板４１０上に、素子のＧａＮ基板４０１側が凸形状となるようにジャンクションダウンで実装する構成が開示されている。これにより、活性層に生じる応力を制御し、活性層の劣化を抑制しようとしている。
しかしながら、共振器方向の応力を制御し、活性層に生じるピエゾ電界の向きを、素子に注入された電流が共振器端面方向に流れにくい向きに制御する方法については、特許文献２にはなんら開示されていない。
さらに、ダイヤモンドをサブマウント基板として使用する場合、ダイヤモンドは非常に硬いため、特許文献２に開示されたような凸状のなめらかな湾曲形状をダイヤモンドサブマウントに形成することは、加工上非常に困難であり、コストの増大を招く。さらに、サブマウントへの素子の実装位置を高精度に制御しなければ、発光面が傾くといった課題が生じてしまう。
以上のように、ワット級の半導体レーザ装置において劣化の主原因となるＣＯＤレベルの低下を抑制するためには、共振器端面近傍領域に電流が注入されない電流非注入窓領域を形成することが効果的である。この場合、電流が注入される領域から電流非注入窓領域への電流の漏れを小さくするためには、動作中の素子温度を可能な限り低減し、動作電流そのものの増大を抑制するだけでなく、活性層に生じているピエゾ電界の向きを電流が共振器端面方向に流れにくい方向に制御する必要がある。
そこで、本開示においては、８５℃の高温動作においても、半導体レーザ素子の温度上昇が小さく、電流非注入窓領域への漏れ電流の少ない、長期高出力動作可能な低消費電力のワット級超高出力半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る窒化物系発光装置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）基板の上に、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側から順に第１導電型の第１クラッド層、第１光ガイド層、量子井戸活性層、第２光ガイド層、及び、第２導電型の第２クラッド層が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板とを備え、前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板とが対向するように前記サブマウント基板に実装されており、前記サブマウント基板は、ダイヤモンドで形成されており、前記窒化物系半導体発光素子には、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側に凹型の反りが形成されている。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板は、ＧａＮ基板であってもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記多層構造は、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板に対して圧縮性の平均歪みを有してもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記第１光ガイド層及び前記第２光ガイド層の少なくとも一方はＩｎを含んでもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記第１光ガイド層及び第２光ガイド層のＩｎ組成は各々６％以下であってもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板と前記第１クラッド層との間に、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板に対して圧縮性の平均歪みを有する窒化物半導体層を含むバッファ層をさらに備えていてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記バッファ層は、Ｉｎを含んでもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記バッファ層は、ＡｌＧａＮ層をさらに含んでもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記量子井戸活性層は量子井戸層とバリア層とからなり、前記バリア層のＩｎ組成は、前記第１光ガイド層及び前記第２光ガイド層のＩｎ組成以上であってもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記第２クラッド層にはリッジが形成されていてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記リッジの前記第２光ガイド層側にＩｎを含む層、又は、ＧａＮからなる層を備えてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記ＧａＮ基板は無極性、又は半極性の面方位を有し、前記多層構造におけるＡｌ組成は１％以下であってもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記多層構造は、Ａｌを含まなくてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記多層構造と前記サブマウント基板との間に、前記第２クラッド層側から順に、第１バリア層、第１パッド電極層、第２バリア層、及び、接合層を備え、前記第２バリア層の短辺方向の幅は、前記第１バリア層の短辺方向の幅より狭くてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置において、前記多層構造と前記サブマウント基板の間に、前記第２クラッド層側から、第１バリア層、第１パッド電極層、第２バリア層、及び、接合層を備え、前記接合層は、前記第２バリア層と前記第１バリア層との間であって、前記第２バリア層の端部より内側に入りこんでいてもよい。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板の上に、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側から順に第１導電型の第１クラッド層、第１光ガイド層、量子井戸活性層、第２光ガイド層、及び、第２導電型の第２クラッド層が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板とを備え、前記多層構造は、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板に対して圧縮性の平均歪みを有し、前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板とが対向するように前記サブマウント基板に実装されており、前記サブマウント基板は、ダイヤモンドで形成されている。
また、本開示の一態様に係る窒化物系発光装置は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板の上に、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板側から順に第１導電型の第一クラッド層、第１光ガイド層、量子井戸活性層、第２光ガイド層、及び、第２導電型の第２クラッド層が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板とを備え、前記多層構造は、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板に対して５．２×１０－４以下の引っ張り性、又は、圧縮性の平均歪みを有し、前記ＡｌｘＧａ１－ｘＮ基板の厚さは７５μｍ以上、９５μｍ以下であって、前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板とが対向するように前記サブマウント基板に実装されており、前記サブマウント基板は、ダイヤモンドで形成されている。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら、説明を行う。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら、説明を行う。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物系発光装置について説明する。まず、実施の形態１に係る窒化物系発光装置において用いられる窒化物系半導体発光素子の一例である半導体レーザ素子１１について、図面を用いて説明する。
図１Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１の構成を示す模式的な断面図である。図１Ａは、半導体レーザ素子１１の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。図１Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１の共振器端近傍の構成を示す模式的な断面図である。図１Ｃにおいては、電流非注入窓領域が形成された部分における断面が示されている。
図１Ａに示すように、半導体レーザ素子１１は、ＧａＮ基板１０１の上に、ＧａＮ基板１０１側から順に第１導電型の第１クラッド層１０３、第１光ガイド層１０５、量子井戸活性層１０６、第２光ガイド層１０７、及び、第２導電型の第２クラッド層１０９が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子である。実施の形態１では、半導体レーザ素子１１は、さらに、Ｎ型ＧａＮ層１０４と、電子障壁層１０８と、コンタクト層１１０と、電流ブロック層１１２と、Ｐ側オーミック電極１１３と、Ｐ側第１密着層１１４と、第１バリア層１１５と、パッド電極１１６と、Ｎ側電極１１７とを備える。
ＧａＮ基板１０１は、半導体レーザ素子１１の基体となるＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）基板の一例である。
第１クラッド層１０３は、ＧａＮ基板１０１の上方に配置される第１導電型のクラッド層である。本実施の形態では、第１クラッド層１０３は、Ｎ型ＡｌＧａＮで形成されている。第１クラッド層１０３の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では１．２μｍである。
Ｎ型ＧａＮ層１０４は、第１クラッド層１０３の上方に配置され、量子井戸活性層１０６で発生した光をガイドする第１導電型の光ガイド層の一例である。本実施の形態では、Ｎ型ＧａＮ層１０４は、Ｎ型ＧａＮで形成される。Ｎ型ＧａＮ層１０４の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では１００ｎｍである。
第１光ガイド層１０５は、第１クラッド層１０３と量子井戸活性層１０６との間に配置され、量子井戸活性層１０６において発生した光をガイドする層である。本実施の形態では、第１光ガイド層１０５は、アンドープのＩｎＧａＮで形成される。第１光ガイド層１０５の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では２００ｎｍである。
量子井戸活性層１０６は、半導体レーザ素子１１において光を発生するアンドープの多重量子井戸活性層である。量子井戸活性層１０６の構造については後述する。
第２光ガイド層１０７は、第２クラッド層１０９と量子井戸活性層１０６との間に配置され、量子井戸活性層１０６において発生した光をガイドする層である。本実施の形態では、第２光ガイド層１０７は、アンドープのＩｎＧａＮで形成される。第２光ガイド層１０７の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では１８０ｎｍである。
電子障壁層１０８は、量子井戸活性層１０６に注入された電子が漏れ出すことを抑制するための層である。電子障壁層１０８は、量子井戸活性層１０６に注入された電子が第２クラッド層１０９に熱的に励起されて漏れ出すキャリアオーバーフローを抑制し、温度特性の向上を実現している。電子障壁層１０８の構成は、本実施の形態では、Ａｌ組成が０．３（３０％）、膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮからなる。
第２クラッド層１０９は、量子井戸活性層１０６の上方に配置される第２導電型のクラッド層である。本実施の形態では、第２クラッド層１０９は、Ｐ型ＡｌＧａＮで形成されている。第２クラッド層１０９の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では６６０ｎｍである。
コンタクト層１１０は、オーミックコンタクトを形成する層である。本実施の形態では、コンタクト層１１０は、Ｐ型ＧａＮで形成される。コンタクト層１１０の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では０．１μｍである。
電流ブロック層１１２は、電流の経路を制限する層である。電流ブロック層１１２は、光分布に対して透明な、つまり、量子井戸活性層１０６において発生した光に対して実質的に吸収のない透明な材料で形成される。実施の形態１では、電流ブロック層１１２は、ＳｉＯ２で形成される。電流ブロック層１１２の膜厚は、特に限定されないが、実施の形態１では０．２μｍである。
Ｐ側オーミック電極１１３は、オーミックコンタクトを形成する層である。Ｐ側オーミック電極１１３は、例えば、膜厚４０ｎｍのＰｄ層と膜厚３５ｎｍのＰｔ層とを有する。
Ｐ側第１密着層１１４は、Ｐ側オーミック電極１１３と第１バリア層１１５との間に配置される層である。Ｐ側第１密着層１１４は、例えば、膜厚１０ｎｍのＴｉで形成される。
第１バリア層１１５は、Ｐ側第１密着層１１４とパッド電極１１６との間に配置される層である。第１バリア層１１５は、例えば、膜厚１０ｎｍのＰｔで形成される。
パッド電極１１６は、第１バリア層１１５の上方に配置されるパッド状の電極である。パッド電極１１６は、例えば、膜厚０．６μｍのＡｕと、膜厚３５ｎｍのＰｔと、膜厚１μｍのＡｕとで形成される。
Ｎ側電極１１７は、ＧａＮ基板１０１の下面、つまり、第１クラッド層１０３が形成された主面と反対側の面に形成された電極である。Ｎ側電極１１７は、例えば、膜厚１０ｎｍのＴｉと、膜厚３５ｎｍのＰｔと、膜厚２μｍのＡｕとで形成される。
また、図１Ａに示すように、半導体レーザ素子１１の第２クラッド層１０９には、幅Ｗのリッジが形成されている。リッジの幅Ｗは、特に限定されないが、実施の形態１では３０μｍである。
このとき、リッジ下端部と量子井戸活性層１０６との距離ｄｐを０．２μｍとしている。
８５℃以上の環境温度での高温動作時であっても数ワットの光出力を得るために、半導体レーザ素子１１の共振器長は１２００μｍとしている。また、図１Ｃに示すように、共振器前後面の共振器端面近傍のリッジ部のＰ型ＧａＮコンタクト層１１０の上にはＳｉＯ２からなる絶縁膜（厚さ０．２μｍ）を共振器端からの距離３０μｍ以下の領域に対して形成し、電流非注入窓領域を形成している。半導体レーザ素子１１が電流非注入窓領域を備えない場合には、量子井戸活性層１０６の動作キャリア密度が増大すると、非発光再結合による発熱が生じ、バンドギャップエネルギーが小さくなる。このとき、光吸収も増大し、益々、光出力が低下し、半導体レーザ素子の発熱が増大してしまい、ついには共振器端面が破壊されてしまうＣＯＤが生じてしまう。一方、半導体レーザ素子１１の共振器端面近傍に電流非注入窓領域を形成することで、電流がレーザ共振器端面に注入されることを抑制できるため、端面近傍での量子井戸活性層での動作キャリア密度が増大することを抑制できる。したがって、半導体レーザ素子１１の量子井戸活性層での温度上昇を抑制しＣＯＤの発生を抑制することができる。
ここで、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３及びＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９のＡｌ組成を大きくすると、量子井戸活性層１０６と各クラッド層との間の屈折率差を大きくすることができる。これにより、量子井戸活性層に垂直方向（基板法線方向）に光を強く閉じ込めることが可能となるため、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながらＡｌＧａＮ層からなる各クラッド層とＧａＮ基板１０１との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮからなる各クラッド層のＡｌ組成を大きくしすぎると格子欠陥、クラックなどが生じ信頼性の低下につながる。
また、ＡｌＧａＮからなる各クラッド層のバンドギャップエネルギーはＡｌ組成の増大と共に大きくなるため、Ａｌ組成を高めると、動作電圧の増大をもたらす。したがって、ＡｌＧａＮからなる各クラッド層のＡｌ組成は０．０５（５％）以下として、半導体レーザ素子１１を作製する必要がある。
実施の形態１においては、垂直方向の活性層への光閉じ込め係数を増大しつつ、格子欠陥及びクラック発生の低減、動作電圧の抑制を実現するためＡｌＧａＮからなる各クラッド層のＡｌ組成を３．５％としている。
また、実施の形態１における量子井戸活性層１０６は、波長４５０ｎｍのレーザ発振を得るために、ＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有する。以下、量子井戸活性層１０６の構造について図１Ｂを用いて説明する。図１Ｂに示すように、量子井戸活性層１０６は、厚さ３０Å、Ｉｎ組成０．１８（１８％）のＩｎＧａＮからなる量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄを２層備えたＤＱＷ構造を有する。量子井戸活性層１０６は、さらに、ＩｎＧａＮからなるバリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅの厚さは、それぞれ、例えば、３ｎｍ、７ｎｍ及び３ｎｍである。量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄ間のバリア層１０６ｃの厚さが厚くなるほど、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄ同士の波動関数の結合が抑制される。波動関数の結合をある程度抑制するためには、量子井戸層間のバリア層の膜厚が５ｎｍ以上であればよく、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅの厚さの組み合わせは、例えば、それぞれ７ｎｍ、７ｎｍ及び５ｎｍでも、５ｎｍ、５ｎｍ及び３ｎｍでも、５ｎｍ、７ｎｍ及び５ｎｍでも、１０ｎｍ、１０ｎｍ及び８ｎｍでも、１５ｎｍ、１５ｎｍ及び１３ｎｍなどであってもよい。
図２は、量子井戸活性層のバンド構造を示す図である。図２には、量子井戸層のＩｎ組成が０．１４５（１４．５％）、バリア層のＩｎ組成が０．００８（０．８％）である場合のバンド構造を示している。図２のグラフ（ａ）は、ピエゾ効果を無視した場合の伝導帯のバンド構造と量子井戸層に閉じ込められる電子の波動関数とを示し、図２のグラフ（ｂ）は、ピエゾ効果を無視した場合の価電子帯のバンド構造と量子井戸層に閉じ込められるホールの波動関数とを示している。また、図２のグラフ（ｃ）は、ピエゾ効果考慮した場合の伝導帯のバンド構造と量子井戸層に閉じ込められる電子の波動関数とを示し、図２のグラフ（ｄ）は、ピエゾ効果考慮した場合の価電子帯のバンド構造と量子井戸層に閉じ込められるホールの波動関数とを示している。
量子井戸層には、ピエゾ効果によりピエゾ電界が生じ、量子井戸層１０６ｂ、１０６ｄのバンド構造は、Ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９側の電位が低くなるような傾きが生じる。この場合、電子の波動関数は、Ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９側に拡がる形状となる。逆に、ホールの波動関数は、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３側に偏って拡がる形状となる。
この結果、電子の波動関数とホールの波動関数との分布の重なり積分が小さくなり、電子とホールとの相互作用の低下を招き、量子井戸の利得が小さくなるため発振しきい値が増大する。
電子の波動関数のＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９側への拡がりを抑制するためには、第２光ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーが、バリア層１０６ｅよりもバンドギャップエネルギーの大きい場合、バリア層１０６ｅの厚さを薄くし、第２光ガイド層１０７を量子井戸活性層に近づければよい。このようにすることで、電子の量子準位のエネルギーと第２光ガイド層１０７の伝導帯エネルギーとの差が大きくなるため、電子の波動関数のＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９側への減衰が大きくなる。
また、Ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１クラッド層１０３に最も近いバリア層１０６ａの領域では、ホールの波動関数が第１クラッド層１０３側に拡がりやすく、電子の波動関数とホールの波動関数の分布の重なり積分の低下につながる。ホールの波動関数の第１クラッド層１０３側への拡がりを抑制するためには、第１光ガイド層１０５のバンドギャップエネルギーが、バリア層１０６ａよりも大きい場合、バリア層１０６ａの厚さを薄くし、第１光ガイド層１０５を量子井戸活性層に近づければよい。
ここで、量子井戸層１０６ｂ、１０６ｄでのヘビーホール及びライトホールの有効質量は、電子の有効質量と比較してそれぞれ８倍及び１．６倍程度大きいため、ヘビーホールの波動関数の第１クラッド層１０３側への拡がりは、バリア層１０６ｅでの電子の波動関数の第２クラッド層側への拡がりと比較して小さい。
また、量子井戸層間のバリア層１０６ｃでは、量子井戸層１０６ｂからＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９側へ拡がる電子波動関数と、量子井戸層１０６ｄからＮ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３側へ拡がるヘビーホール及びライトホールの波動関数が存在する。この結果、量子井戸層間のバリア層１０６ｃでの電子とホールとの相互作用の低下は抑制される。
従って、量子井戸層間の波動関数の結合の影響の有無にかかわらず、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーが、バリア層１０６ａ及びバリア層１０６ｅのバンドギャップエネルギーよりも大きい場合、少なくともＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９に最も近いバリア層の厚さを、量子井戸層間のバリア層の厚さよりも薄くすれば、電子とホールの波動関数の相互作用の低下による量子井戸の利得低下を抑制し、発振しきい値を低減することができる。さらに、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３に最も近いバリア層の厚さを、量子井戸層間のバリア層の厚さよりも薄くすれば、電子とホールの波動関数の相互作用の低下による量子井戸の利得低下をさらに抑制し、発振しきい値を低減することができる。
量子井戸層間のバリア層の厚さが５ｎｍ以下の場合、量子井戸層間の波動関数の結合の影響が大きくなる。この場合、前述のように、量子井戸層間の領域では、第２クラッド層１０９側へ拡がる電子波動関数と、量子井戸層１０６ｄから第１クラッド層１０３側へ拡がるヘビーホール及びライトホールの波動関数が存在し、量子井戸層間のバリア層１０６ｃでの電子とホールの相互作用の低下は抑制される。従って、量子井戸層間のバリア層の厚さが５ｎｍ以下の場合であっても、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び、１０６ｅの厚さの組み合わせを、例えば、３ｎｍ、３ｎｍ及び、１ｎｍあるいは、５ｎｍ、５ｎｍ及び、３ｎｍとすれば、第２クラッド層１０９側への電子の波動関数の拡がりが小さくなり、量子井戸間の結合による利得低下に伴う発振しきい値の増大を低減することができる。
さらに、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び、１０６ｅの厚さの組み合わせを、例えば、１ｎｍ、３ｎｍ及び、１ｎｍ、あるいは、３ｎｍ、５ｎｍ及び、３ｎｍとすれば、第１クラッド層１０３側へのホールの波動関数の拡がりと、第２クラッド層１０９への電子の波動関数の拡がりを抑制することができる。この結果、量子井戸間の結合による利得低下に伴う発振しきい値の増大をさらに低減することができる。
量子井戸層が３層以上ある場合でも、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーが、バリア層よりも大きい場合、少なくともＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９に最も近いバリア層の厚さを、量子井戸層間のバリア層の厚さよりも薄くすれば、電子とホールの波動関数の相互作用の低下による量子井戸の利得低下を抑制し、発振しきい値を低減することができる。さらに、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３に最も近いバリア層の厚さを、量子井戸層間のバリア層の厚さよりも薄くすれば電子とホールの波動関数の相互作用の低下による量子井戸の利得低下をさらに抑制し、発振しきい値を低減することができる。
量子井戸層のＩｎ組成は、４５０ｎｍ帯のレーザ発振光を得るために、１５％程度である必要がある。この場合、ＧａＮとの格子不整が１．７％以上となり、その膜厚を厚くしすぎると、格子欠陥が生じてしまう。逆に、薄くしすぎると、量子井戸層への垂直方向の光閉じ込め係数が小さくなり、発振しきい値や動作キャリア密度が高くなるため、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。したがって、格子欠陥の発生を抑制しつつ、量子井戸層への垂直方向（積層方向、つまり、図１Ａのｙ軸方向）の光閉じ込め係数を十分に大きくするために、量子井戸層の膜厚は２７Å以上、３３Å以下の範囲であってもよい。実施の形態１では量子井戸層の膜厚を３０Åとしている。
また、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が小さいと、量子井戸活性層１０６への垂直方向の光閉じ込めが小さくなり、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなる。この結果、高温動作時の漏れ電流が増大する。したがって、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７の少なくとも一方は、Ｉｎを含んでもよい。これにより、漏れ電流を抑制できる。
また、逆に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が大きいと、ＧａＮとの格子不整の増大により、格子欠陥が生じやすくなる。このため、格子欠陥が生じずに、量子井戸層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大させるために、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７のＩｎ組成は０．０２５（２．５％）以上、０．０７（７％）以下で作製してもよい。実施の形態１においては、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を０．０３（３％）として、格子欠陥の発生の抑制と、量子井戸層への垂直方向の光閉じ込め係数の増大とを両立させている。
また、図１Ａに示すように、半導体レーザ素子１１のリッジ側面上に、ＳｉＯ２からなる誘電体の電流ブロック層１１２が形成されている。この構造において、Ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１０から注入された電流は電流ブロック層１１２によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する量子井戸活性層１０６に集中して注入される。これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は百ｍＡ程度の注入電流により実現される。量子井戸活性層１０６へ注入された電子と正孔とからなるキャリアの再結合により発光した光は、量子井戸活性層１０６と垂直な方向（図１Ａのｙ軸方向）においては、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７、第１クラッド層１０３及び第２クラッド層１０９により閉じ込められる。一方、量子井戸活性層１０６と平行な方向（図１Ａのｙ軸に垂直な方向。以下、水平方向という。）においては、電流ブロック層１１２が各クラッド層よりも屈折率が低いため、光が閉じ込められる。また、電流ブロック層１１２はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１×１０－３のオーダのΔＮ（リッジ内外の垂直方向実効屈折率の差）を容易に得ることができ、さらにその大きさを、電流ブロック層１１２と量子井戸活性層１０６との間の距離ｄｐの大きさを調整することで、同じく１０－３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力な半導体レーザ素子１１を得ることができる。実施の形態１においては、ΔＮを５×１０－３とすることによって、水平方向の光の閉じ込めを行っている。
また、上述した半導体レーザ素子１１の構造において、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成を変化させることで、ＧａＮ基板１０１上に形成した多層構造全体に生じる応力の平均値を制御し、結晶成長後におけるＧａＮ基板１０１の反りの向きを制御することが可能となる。
具体的には、例えば、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を高めると、ＩｎＧａＮ層の格子定数はＧａＮ基板１０１よりも大きいために、多層構造の格子定数の平均値は、ＧａＮ基板１０１の格子定数より大きくなる。したがって、多層構造は、全体で平均すると、ＧａＮ基板１０１によって圧縮される。つまり、多層構造は、ＧａＮ基板１０１によって圧縮性の応力を受ける。さらに言い換えると、多層構造は、ＧａＮ基板１０１に対して圧縮性の平均歪みを有する。この結果、結晶成長後にＧａＮ基板１０１に生じる反りについて、図面を用いて説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、実施の形態１に係る半導体レーザ装置５１ａ及び５１ｂの外観を示す模式的な側面図である。
図３Ａに示す半導体レーザ装置５１ａは、窒化物系半導体発光素子と、窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板１２２とを備える窒化物系発光装置の一例である。半導体レーザ装置５１ａは、窒化物系半導体発光素子として、半導体レーザ素子１１を備える。半導体レーザ装置５１ａにおいて、半導体レーザ素子１１は、多層構造とサブマウント基板１２２とが対向するようにサブマウント基板１２２に実装されている。また、サブマウント基板１２２は、ダイヤモンドで形成されている。なお、実施の形態１では、半導体レーザ素子１１は、ＡｕＳｎ半田などからなる接合層１２１を介してサブマウント基板１２２に実装されている。ここで、半導体レーザ素子１１の多層構造がＧａＮ基板１０１に対して圧縮性の平均歪みを有する。一方、図３Ｂに示す半導体レーザ装置５１ｂは、半導体レーザ素子１１の多層構造がＧａＮ基板１０１に対して引っ張り性の平均歪みを有する点において、図３Ａに示す半導体レーザ装置５１ａと相違し、その他の点において一致する。
半導体レーザ素子１１の多層構造がＧａＮ基板１０１に対して圧縮性の平均歪みを有する場合には、図３Ａに示すように、半導体レーザ素子１１には、ＧａＮ基板１０１側に凹型の反りが形成される。図３Ａにおいては、図１Ａに示す半導体レーザ素子１１が、共振器方向（ｚ軸方向）に対してＧａＮ基板１０１の上面（外側面）側が凹形状となるようにジャンクションダウンでサブマウント基板に実装されている状態を示している。ここで、半導体レーザ素子１１の共振器方向中央部でのそりの大きさ（距離）をΔＲで示す。ＧａＮ基板１０１の上側面が凹型となる場合のΔＲは負の値とし、凸型となる場合のΔＲを正の値とする。
逆に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を小さくすると、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１０３及びＰ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１０９の格子定数は、ＧａＮ基板１０１よりも小さいため、多層構造は、ＧａＮ基板１０１に対して引っ張り性の平均歪みを有する。この結果、結晶成長後におけるＧａＮ基板１０１の反りは、図３Ｂに示すようにＧａＮ基板１０１を上にして凸型となる。ここで、図３Ｂは図１Ａに示す半導体レーザ素子１１が、共振器方向に対してＧａＮ基板１０１側が凸形状となるようにジャンクションダウンでサブマウント基板に実装されている状態を示している。
ＧａＮ基板１０１のＣ面上に窒化物層を形成した場合、格子不整に伴って生じる歪みにより、格子不整を生じる界面でピエゾ分極電荷が発生する。その結果、ＧａＮ基板１０１の法線方向（図３Ａ及び図３Ｂのｙ軸方向）にピエゾ電界が生じ、成長層方向のバンド構造が変化してしまう。さらに、素子構造に回転（ねじれ）の応力であるせん断応力が生じた場合、せん断応力（図３Ａ及び図３Ｂのｚｙ面内での回転の応力）により、成長層に平行な方向（図３Ａ及び図３Ｂ中のｚ方向）にもピエゾ電界が発生する。このせん断応力による成長層に平行な方向（ｚ方向）のピエゾ電界が、ｚ軸方向のバンド構造を変化させるため、共振器方向に対する電流の注入のしやすさの分布に影響を与える。
ここで、半導体レーザ素子１１の共振器方向にせん断応力が発生した場合、半導体レーザ素子１１には反りが発生し、半導体レーザ素子１１の共振器方向の反りと、せん断応力には互いに比例するような密接な関係がある。
そこで、図１Ａに示す構造の素子に対して、種々のサブマウント基板材料に対し、ジャンクションダウンで実装し、そりの大きさ（ΔＲ）を－１μｍから１μｍまで０．５μｍ間隔で変化させた場合に、量子井戸活性層１０６の量子井戸層１０６ｂ、１０６ｄに生じるせん断応力の大きさをシミュレーションによって見積もった。その結果について図面を用いて説明する。
図４、図５及び図６は、それぞれ、サブマウント基板１２２がダイヤモンド、ＳｉＣ（炭化シリコン）及びＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成される場合のせん断応力及びピエゾ電界の共振器長方向における分布を示すグラフである。ＳｉＣ及びＡｌＮは半導体レーザ素子の実装時において、放熱性が高く、熱伝導率の高いサブマウント基板材料として、広く用いられている。
図４～図６のグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれ、温度２５℃の場合の共振器方向に対するせん断応力、ピエゾ電界、ピエゾ電界により生じるピエゾ電位（ピエゾ電圧）の大きさの分布が示されている。半導体レーザ素子１１の共振器長は１２００μｍとし、共振器方向中央部の位置の座標を０μｍとしている。
同様に、図４～図６のグラフ（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）には、それぞれ、温度１５０℃の場合の共振器方向に対するせん断応力、ピエゾ電界、ピエゾ電界により生じるピエゾ電位の大きさの分布が示されている。
同様に、図４～図６のグラフ（ｇ）、（ｈ）及び（ｉ）には、それぞれ、温度２００℃の場合の共振器方向に対するせん断応力、ピエゾ電界、ピエゾ電界により生じるピエゾ電位の大きさの分布が示されている。
ピエゾ電位の大きさは共振器方向中央部におけるピエゾ電位を０Ｖとしている。窒化物系材料からなるワット級の超高出力半導体レーザ装置において、例えば３Ｗ動作する場合、共振器端面での量子井戸活性層における光密度は、数十ＭＷ／ｃｍ２と、非常に大きな値となる。このため、端面でのＣＯＤの発生を防止するために、端面に電流非注入窓領域を形成し、端面近傍領域での非発光再結合を抑制し、ＣＯＤレベルの低下を抑制しようとしている。そのため、電流非注入窓領域への注入電流の漏れを抑制する必要がある。しかしながら、共振器方向のピエゾ電位分布において、共振器端面近傍領域の方が共振器方向中央部より低くなり得る。この場合、電流非注入窓領域には電流が漏れやすくなり、非発光再結合が生じやすくなる結果、発熱を生じ、ＣＯＤレベルの低下を招くことになる。
したがって、８５℃の高温状態でワット級の高出力動作中の半導体レーザ素子では、電流注入の大きさは数Ａ以上の大電流となる。このため、量子井戸活性層に生じるピエゾ電界の向きを、半導体レーザ素子に注入された電流が共振器端面方向に流れにくい向きに制御することによって、共振器端面方向への漏れ電流の発生を極力抑制しなければ、共振器端面に電流非注入窓領域を形成したとしても、ＣＯＤレベルの低下により、素子の劣化を生じてしまうことになる。
また、環境温度８５℃で半導体レーザ素子を動作させた場合、半導体レーザ素子の量子井戸活性層の温度は、半導体レーザ素子の電力消費に伴う発熱により１５０℃程度の高温状態にまで上昇している。したがって、室温のみならず、１５０℃以上の高温状態においても、電流非注入窓領域に電流が漏れないようにピエゾ電位を形成しなければならない。
ここで、ダイヤモンドをサブマウント基板１２２に使用した場合、図４に示すように、共振器端面近傍のピエゾ電位の方が、共振器方向中央部のピエゾ電位よりも高く形成さていることがわかる。一方、ＳｉＣ及びＡｌＮをサブマウントに使用した場合、図５及び図６にそれぞれ示すように、共振器端面近傍のピエゾ電位の方が、共振器方向中央部のピエゾ電位よりも低く形成されている。
これは、ＳｉＣの熱膨張係数は６．６×１０－６、ＡｌＮの熱膨張係数は４．１５×１０－６であるのに対して、ダイヤモンドの熱膨張係数は１．１×１０－６であり、ＧａＮの熱膨張係数５．５９×１０－６と比較しても相対的に小さいことに起因すると考えられる。このように熱膨張係数が小さいダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２に半導体レーザ素子１１を実装する場合に生じる熱残留応力について説明する。
接合層１２１としてＡｕＳｎ半田を使用し、３００℃程度の高温状態でサブマウント基板１２２に半導体レーザ素子１１を実装する際、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２と半導体レーザ素子１１との熱膨張係数の差による熱残留応力の影響が、ＳｉＣ又はＡｌＮで形成されたサブマウント基板を用いる場合と比較して大きくなる。このため、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２に半導体レーザ素子１１を実装した場合、半導体レーザ素子１１の共振器方向（ｚ軸方向）における引っ張り性の応力が、ＳｉＣ又はＡｌＮで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子１１を実装する場合と比較して大きくなる。このとき、ｙｚ面内のせん断応力は、共振器端面の方が共振器方向中央部より相対的にピエゾ電位が高くなる方向に形成される。これにより、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２を用いる場合、２５℃から１５０℃の高温状態まで、共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高める効果が最も高くなる。特に、この効果は、半導体レーザ素子１１のＧａＮ基板１０１を多層構造に対して上にした状態で、共振器方向の反りを凹型の形状にした場合に大きくなることが発明者らの解析により判明した。また、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２を用いた場合、ＧａＮ基板１０１の反りΔＲが０．５μｍ以下であれば、２００℃の高温状態においても、共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高める効果がある。
したがって、ダイヤモンドをサブマウント基板１２２に使用し、かつ、ＧａＮ基板１０１を上にしてΔＲが０．５μｍ以下となるように半導体レーザ素子１１を実装すれば、共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高めることができる。さらに、ダイヤモンドをサブマウント基板１２２に使用し、かつ、ＧａＮ基板１０１を上にしてΔＲが０μｍ未満（凹形状）となるように半導体レーザ素子１１を実装すれば、共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対してより一層高めることができる。
一方、ＳｉＣをサブマウント基板に使用すると、図５のグラフ（ｃ）、（ｆ）及び（ｉ）に示すように共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高めることは困難であることがわかる。
また、ＡｌＮをサブマウント基板に使用すると、図６のグラフ（ｃ）、（ｆ）及び（ｉ）に示すように共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高めるためには、ΔＲを－１μｍ以下の範囲に制御する必要があることがわかる。
共振器長１２００μｍの素子に対し、半導体レーザ素子１１の反りΔＲを－１μｍ以下の形状に制御するためには、半導体レーザ素子の多層構造に使用されるＩｎＧａＮ層（例えば第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７）におけるＩｎ組成を非常に大きくするか、又は、その膜厚を非常に厚くすることが必要となる。この場合、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７で、格子不整による格子欠陥が発生しやすくなるため、反りΔＲをマイナス方向に必要以上に小さくすることは半導体レーザ素子１１の信頼性の観点から好ましくない。
また、ダイヤモンドの熱伝導率は、１０００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、ＳｉＣの熱伝導率（２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、ＡｌＮの熱伝導率（１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）などと比較して非常に大きい。このように、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２にジャンクションダウンの状態で、ΔＲが０．５μｍ以下、好ましくは０μｍ以下となるように実装した場合に、高放熱性と、共振器端面近傍領域のピエゾ電位を共振器方向中央部に対して高めることとを実現できる。このような実装形態は、高温高出力動作の状態で長期信頼性を保証できる窒化物系青色半導体レーザ素子の実装形態として非常に適していると考えられる。
次に、上記のように、ΔＲを０．５μｍ以下、好ましくは負の状態（ＧａＮ基板１０１を上にして凹形状）となるようにする方法について説明する。
ＩｎＮはＧａＮよりも格子定数が大きいため、ＩｎＧａＮ層においてＩｎ組成を高めると圧縮性の歪みが大きくなる。このため、例えば、図１Ａに示す構造においてＩｎＧａＮからなる第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を高くすると、ＧａＮ基板１０１上に形成した多層構造の平均的な歪みは圧縮性の歪みが高まり、基板を上にすると凹形状になる傾向を持つことになる。したがって、Ｉｎを含む層のＩｎ組成を可能な限り高めれば、ΔＲを小さくし、負の状態にすることができる。
ここで、平均歪み（εａｖｅ）は、下記の式１で定義される。
Figure 0007478205000001
ここで、ε（ｙ）は、成長層方向（位置ｙ）の各層のＧａＮ基板１０１に対する格子不整（歪み）の大きさ、ＴはＧａＮ基板１０１上に形成した多層構造における、ＧａＮ基板１０１から成長層方向への距離（すなわち、多層構造の膜厚）である。また、格子不整はＧａＮの格子定数をＬｓとし、成長層方向の各位置での格子定数をＬｙとすると、下記の式２で与えられる。
（Ｌｓ－Ｌｙ）／Ｌｓ 式２
このとき、εａｖｅ（Ｔ）は、ＧａＮ基板１０１上の多層構造において、ＧａＮ基板１０１からの膜厚Ｔの位置までの平均的な歪みの大きさを示している。したがって、Ｔが多層構造全体の膜厚の場合、εａｖｅ（Ｔ）は、多層構造全体の平均的な格子不整の大きさ（多層構造全体の平均歪み：εｔａｖｅ）を意味する。また、式２によれば、圧縮性の歪みを受ける層では、歪みは負の値をとる。
ここで、反りΔＲと平均歪みεｔａｖｅとの関係について図面を用いて説明する。図７Ａは、反りΔＲの定義を説明する概略図である。図７Ｂは、多層構造の平均歪みと反りΔＲとの関係を示すグラフである。図７Ｂには、ＧａＮ基板１０１の厚さを６５μｍから１０５μｍまで１０μｍ間隔で変化させた場合の、反りΔＲの多層構造全体の平均歪み依存性の計算結果が示されている。
図７Ａに示すように、ＧａＮ基板１０１を、多層構造を構成する結晶成長層に対して上に配置する際に、ＧａＮ基板１０１の上面が凹状態である場合に、反りΔＲが負であると定義する。
図７Ｂに示すように、半導体レーザ素子１１の反りΔＲは、ＧａＮ基板１０１の厚さにほぼ依存せず、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下まで圧縮性とした場合に、負の値（ＧａＮ基板１０１を上にして凹形状）となることがわかる。また、ＧａＮ基板１０１の厚さが薄い方が、平均歪みεｔａｖｅに対する反りの変化の度合いは大きくなることがわかる。これは、ＧａＮ基板１０１の厚さが薄い方が、半導体レーザ素子１１全体の反りが多層構造の平均歪みεｔａｖｅの影響を受けやすいためである。ここで、ＧａＮ基板１０１の厚さが薄い場合には、結晶成長後のウェハ状態での加工プロセス時に割れやすくなる。逆に厚くなりすぎると、レーザ素子の共振器端面を作製するためのウェハの劈開が困難となる。そこで、劈開の容易にし、その他の半導体レーザ素子１１加工プロセス時のウェハの破損を防止するため、ＧａＮ基板１０１の厚さは７５μｍ以上９５μｍ以下、好ましくは８５μｍ±５μｍの範囲であるとよい。この場合、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを圧縮性となるように０以下の大きさに制御すれば、ΔＲも０．１μｍ以下の値となる。また、平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下とした場合には、ΔＲは負の値（ＧａＮ基板１０１側を上のして凹形状）となることがわかる。ΔＲが０．１μｍ以下であれば、図４に示した結果から、量子井戸活性層１０６が２００℃以上の高温状態となっても、共振器端部のピエゾ電位は、共振器方向中央部のピエゾ電位に対し安定して高くなり、電流非注入窓領域への電流の漏れを低減することができる。
ここで、図１Ａに示す実施の形態１に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅについて図面を用いて説明する。図８Ａは、実施の形態１に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の一例を示すグラフである。図８Ｂは、図８Ａにおける量子井戸活性層１０６部分の拡大図である。図８Ｃは、実施の形態１に係る多層構造の成長層方向における平均歪みεｔａｖｅの分布の一例を示すグラフである。図８Ａ～図８Ｃにおいては、多層構造におけるバリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成を０．８％とし、ＩｎＧａＮからなる第１光ガイド層１０５、及び、ＩｎＧａＮからなる第２光ガイド層１０７の膜厚をそれぞれ１８５ｎｍ及び１００ｎｍとし、Ｉｎ組成を０．０３（３％）とした場合の歪みを示している。この多層構造の場合、全体での平均歪みεｔａｖｅの大きさは１．９×１０－４となり、引っ張り性の平均歪みとなっていることがわかる。したがって、この多層構造の構成では、層全体の平均歪みは引っ張り性となり、結晶成長後の素子の反りΔＲは正となる。したがって、多層構造全体の平均歪みを圧縮性にするためには、Ｉｎ組成を含む層のＩｎ組成を高めるか、その膜厚を厚くする必要がある。ここで、図１Ａに示す構造において、Ｉｎを含む層として、そのＩｎ組成の検討を行う対象となるのは、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層１０７、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅである。
しかしながら、Ｉｎを含む層のＩｎ組成を高めると、ＧａＮ基板１０１との格子不整が大きくなるため、格子欠陥が生じやすくなる。さらに、ヘテロ界面でのピエゾ分極電荷が大きくなるため、バンド構造が変化し、それに伴い動作電圧が高くなるといった問題が生じる。そのため、Ｉｎ組成の設定には注意が必要である。以下に、その詳細について図２を用いて説明する。
図２に示すように、ピエゾ効果により波動関数が量子井戸層の端へ偏る。量子井戸層に注入された電子とホールとの相互作用は、電子及びホールの波動関数の重なり積分が大きいほど大きくなる。したがって、電子及びホールの波動関数に偏りが生じると相互作用が小さくなるため、同じ注入電流に対して得られる量子井戸活性層１０６での増幅利得（以下、「利得」という）が低下する。これに伴い発振しきい電流値が増大する。
続いて、量子井戸活性層で得られる利得について図面を用いて説明する。図９Ａは、ピエゾ効果を考慮した場合の量子井戸活性層で得られる利得の波長及びキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。図９Ｂは、ピエゾ効果を考慮しない場合の量子井戸活性層で得られる利得の波長及びキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。図９Ｃは、利得の量子井戸活性層に注入されたキャリア濃度依存性の計算結果を示すグラフである。図９Ｃには、ピエゾ効果を考慮した場合（ピエゾ電界有）、及び、考慮しない場合（ピエゾ電界無）の利得がそれぞれ示されている。図９Ａ～図９Ｃに示すように、ピエゾ効果により利得が小さくなっていることがわかる。
この原因は、図２のグラフ（ｃ）に示すように、ピエゾ効果により量子井戸層のバンド構造が傾き、波動関数が量子井戸層内で偏りを生じるためである。したがって、この波動関数の偏りを抑制するためには、量子井戸層に生じるピエゾ電界の絶対値を小さくすればよい。
ここで、量子井戸層におけるピエゾ電界とバリア層のＩｎ組成との関係について図面を用いて説明する。図１０は、量子井戸層に発生するピエゾ電界のバリア層のＩｎ組成依存性を示すグラフである。図１０には、２％～７％のＩｎ組成を有する第１光ガイド層及び第２光ガイド層を用いる複数の場合においてピエゾ電界のバリア層のＩｎ組成依存性を計算した結果が示されている。
図１０に示すように、量子井戸層に生じるピエゾ電界は、ＩｎＧａＮからなる各光ガイド層のＩｎ組成には依存しないことがわかる。一方、バリア層のＩｎ組成を大きくすると、量子井戸層に生じるピエゾ電界の絶対値が小さくなることがわかる。したがって、ピエゾ効果による活性層の利得の低下を抑制するためには、バリア層のＩｎ組成を大きくした方がよいことがわかる。
しかしながら、バリア層のＩｎ組成を高めると、光ガイド層との界面で発生するピエゾ分極電荷が大きくなり動作電圧の増大を招いてしまう。図１１は、半導体レーザ素子の１００ｍＡ動作時における動作電圧のバリア層のＩｎ組成依存性を計算した結果を示すグラフである。図１１には、２％～７％のＩｎ組成の第１光ガイド層及び第２光ガイド層を用いる複数の場合において動作電圧のバリア層のＩｎ組成依存性を計算した結果が示されている。図１１に示す結果から、ＩｎＧａＮからなる各光ガイド層のＩｎ組成を０．０６（６％）以上にすると動作電圧が増大し、バリア層のＩｎ組成を０．０６（６％）以上とすると動作電圧の増大が顕著となることがわかる。このことから、動作電圧の増大を抑制するためには、各光ガイド層のＩｎ組成を０．０６（６％）以下、さらに好ましくは０．０５（５％）以下とし、バリア層のＩｎ組成を０．０６（６％）以下とすればよいことがわかる。また、バリア層のＩｎ組成を０．０１（１％）以上とすると、ガイド層のＩｎ組成が０．０３（３％）の場合に動作電圧が最も小さくなることがわかる。動作電圧の増大は、半導体レーザ素子の動作中における自己発熱の増大につながるため、動作電圧は可能な限り小さくする必要がある。
続いて、ピエゾ電界と、利得との関係について図面を用いて説明する。
図１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１のピエゾ電界と利得との関係を示す図である。図１２のグラフ（ａ）及び（ｂ）には、それぞれバリア層のＩｎ組成を０．８％及び４％とした場合の伝導帯のバンド構造をそれぞれ示されている。なお、図１２のグラフ（ａ）及び（ｂ）には、電子波動関数及びエネルギー準位も併せて示されている。また、図１２のグラフ（ｃ）及び（ｄ）には、バリア層のＩｎ組成を０．８％及び４％とした場合における利得の波長依存性がそれぞれ示されている。図１２のグラフ（ｃ）及び（ｄ）には、量子井戸活性層への注入キャリア密度をパラメータとして変化させた複数の場合における利得の波長依存性が示されている。バリア層のＩｎ組成を４％とした場合の方が、量子井戸層に生じているピエゾ電界が小さく、同じ注入キャリアに対する利得も大きいことがわかる。この結果、発振しきい電流値を小さくすることができるため、半導体レーザ素子の消費電力を低減できる。
続いて、利得のキャリア濃度依存性について図面を用いて説明する。図１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１の利得のキャリア濃度依存性を示すグラフである。図１３には、バリア層のＩｎ組成を０％、３％、６％とした場合における、波長４５０ｎｍに対する利得の計算結果を示している。実施の形態１においては、共振器長は１２００μｍであり、前端面及び後端面には、反射率が、それぞれ１６％及び９５％となるように端面にコーティングが施されている。この場合の共振器のミラー損失は７．８ｃｍ－１であり、導波路損失約５ｃｍ－１を加えると共振器の全損失が約１２．８ｃｍ－１となる。実施の形態１に係る半導体レーザ素子においては、量子井戸活性層厚が３０Å程度と非常に薄いため、ＤＱＷ活性層への光閉じ込め係数は、通常１％から２％程度の小さい値である。この場合、レーザ発振に必要な利得は６４０ｃｍ－１から１２８０ｃｍ－１である。なお、図１３では、レーザ発振に必要な利得を８００ｃｍ－１として点線で示している。
図１３に示すように、レーザ発振に必要な量子井戸活性層の利得が６４０ｃｍ－１から１２８０ｃｍ－１程度において、バリア層のＩｎ組成を０％から６％へ高める方が、小さい注入キャリア密度でレーザ発振を得ることが可能であることがわかる。しかしながら、前述のように、バリア層のＩｎ組成を大きくすると動作電圧が増大する傾向がある。したがって、動作電圧の大きな増大を招くことなく、発振しきい値の低減を行い、かつ、多層構造の平均歪みεｔａｖｅの圧縮性を高めるために、実施の形態１では、バリア層のＩｎ組成を４％としている。
次に、ＩｎＧａＮからなる第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が、導波路損失に与える影響について図面を用いて説明する。図１４Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位（フェルミエネルギー）と伝導帯エネルギーとの関係を示すグラフである。図１４Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位と価電子帯エネルギーとの関係を示すグラフである。図１４Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１における量子井戸活性層１０６近傍領域のフェルミ準位と伝導帯エネルギーとの関係から決まる電子及びホールの濃度分布を示すグラフである。
図１４Ａ～図１４Ｃにおいては、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を３％とし、バリア層のＩｎ組成を５％とした場合の、１００ｍＡ動作時における成長層方向での各分布の計算結果が示されている。図１４ＡのΔＥｃ、及び、図１４ＢのΔＥｖは、それぞれ、伝導帯エネルギーとフェルミエネルギーとの差（伝導帯のエネルギー － フェルミエネルギー）、価電子帯エネルギーとフェルミエネルギーとの差（フェルミエネルギー － 価電子帯のエネルギー）を示している。ΔＥｃが小さいと、伝導帯には平均して高いエネルギーの電子が存在することを示し、伝導帯に存在する電子濃度が多いことを示している。同様に、ΔＥｖが小さいと伝導帯に存在可能なホール濃度が増えことになる。
上述のとおり各光ガイド層のＩｎ組成が増大すると、多層構造の平均歪みεｔａｖｅにおける圧縮性が高まり、ΔＲを負の方向に制御することができる。しかしながら、各光ガイド層のＩｎ組成が増大すると、そのバンドギャップエネルギーが小さくなり、半導体レーザ素子の動作中に、各光ガイド層に発生する電子及びホールのフリーキャリアが増大するため、導波路損失の増大につながる。
図１４Ｃに示す状態では、第１光ガイド層１０５には平均して１．２×１０１７ｃｍ－３の電子と６×１０１６ｃｍ－３のホールとが存在し、第２光ガイド層１０７には平均して、９×１０１６ｃｍ－３のホールと１．８×１０１７ｃｍ－３の電子とが存在していることを示している。この動作状態では、このキャリア濃度に相当するフリーキャリア損失が発生することになる。各光ガイド層に存在する電子及びホールの濃度は、各光ガイド層及びバリア層のバンドギャップの影響を受けるため、光ガイド層及びバリア層のバンドギャップの設定、つまり、Ｉｎ組成の設定には注意が必要である。
ここで、各光ガイド層におけるキャリア濃度とバリア層及び各光ガイド層のＩｎ組成との関係について図面を用いて説明する。図１５は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の各光ガイド層におけるキャリア濃度とバリア層及び各光ガイド層のＩｎ組成との関係を示す図である。図１５のグラフ（ａ）及び（ｂ）には、それぞれ、１００ｍＡ動作時において、第１光ガイド層１０５に存在する電子濃度及びホール濃度のバリア層のＩｎ組成依存性が示されている。図１５のグラフ（ｃ）及び（ｄ）には、それぞれ１００ｍＡ動作時において、第２光ガイド層１０７に存在する電子濃度及びホール濃度のバリア層のＩｎ組成依存性が示されている。各グラフには、各光ガイド層のＩｎ組成を変化させた複数の場合について、計算したキャリア濃度のバリア層のＩｎ組成依存性が示されている。また、第１光ガイド層１０５と第２光ガイド層１０７のＩｎ組成は同一としている。
また、図１５の各グラフには、各光ガイド層に存在する電子及びホール濃度の平均値が示されている。
図１５に示すように、各光ガイド層のＩｎ組成を大きくすると、各光ガイド層に存在する電子及びホールの濃度が増大することがわかる。これは、Ｉｎ組成の増大に伴って、各光ガイド層のバンドギャップエネルギーが小さくなることによって、ΔＥｃやΔＥｖが小さくなるためと考えられる。特に、各光ガイド層のＩｎ組成を６％以上とすると、光ガイド層に存在する電子及びホール濃度は１×１０１８ｃｍ－３近くとなり、フリーキャリア損失として、光ガイド層のＩｎ組成２％以上の状態と比較して、０．５ｃｍ－１程度増大してしまう。このため、電流－光出力特性におけるスロープ効率（ΔＰ／ΔＩ）の低下がもたらされる。ここで、ΔＰは光出力の変化、ΔＩは注入電流量の変化である。したがって、各光ガイド層に存在する電子及びホール濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下で制御するためには、各光ガイド層のＩｎ組成を６％以下、さらに好ましくは５％以下に設定する必要がある。各光ガイド層のＩｎ組成を５％以下とすれば、より安定して各光ガイド層に存在する電子及びホール濃度を１×１０１８ｃｍ－３以下に抑制することが可能となる。
また、図１５に示す計算結果から、バリア層のＩｎ組成が増大すると各光ガイド層に存在する電子及びホール濃度が減少することがわかる。これは、バリア層のＩｎ組成を高くすると、各光ガイド層と量子井戸層との間に発生するピエゾ分極電荷が、各光ガイド層とバリア層との界面、及び、バリア層と量子井戸層との界面に分散されやすくなるため、図１２のグラフ（ａ）及び（ｂ）並びに図１４Ａに示すように、各光ガイド層と量子井戸層との間にあるバリア層１０６ａ及び１０６ｅの界面で発生するピエゾ電界が小さくなることに起因する。この結果、バリア層のＩｎ組成増大に伴って、ΔＥｃ及びΔＥｖが増大するため、各光ガイド層に存在する電子及びホールの濃度が減少すると考えられる。
したがって、（１）光ガイド層に発生するフリーキャリア損失発生を抑制すること、（２）動作電圧の増大を招かないこと、及び、（３）量子井戸活性層に発生するピエゾ電界を抑制し、量子井戸層の利得を増大させ発振しきい値を低減させることの三つ課題を、同時に実現するためには、光ガイド層及びバリア層のＩｎ組成を６％以下、さらに好ましくは５％以下とし、かつ、バリア層のＩｎ組成を光ガイド層のＩｎ組成以上とすればよいことがわかる。また、光分布の垂直方向の閉じ込め係数を増大させるためには、各光ガイド層のＩｎ組成は２．５％以上である必要がある。さらに、各光ガイド層のＩｎ組成を３％以上とすれば高温高出力動作時においてもキャリアオーバーフローの発生を抑制することができる。
そこで、図１Ａに示す実施の形態１に係る多層構造においては、第１光ガイド層のＩｎ組成を３％、膜厚を２００ｎｍ、第２光ガイド層のＩｎ組成を３％、膜厚を１８０ｎｍとし、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成を４％としている。これにより多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１×１０－５と圧縮性としている。
この場合において、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いるとΔＲは０．１μｍ以下となり、図４に示した結果から、量子井戸活性層１０６が２００℃以上の高温状態となっても、共振器端部のピエゾ電位は、共振器方向中央部のピエゾ電位に対し安定して高くなり、電流非注入窓領域への電流の漏れを防ぐことができる。
また、第１光ガイド層のＩｎ組成を３％、膜厚を１７５ｎｍ、第２光ガイド層のＩｎ組成を３％、膜厚を９８ｎｍとし、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成を４％とすると、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅは、２．５×１０－４となる。
図４のグラフ（ｉ）に示した結果から、量子井戸活性層１０６が２００℃の高温状態となった場合、ΔＲが０．５μｍ以上の状態で共振器方向の量子井戸活性層でのピエゾ電位分布がほぼ一定となり、電流非注入窓領域への電流の漏れ防止効果がなくなる。従って、ΔＲを０．２５μｍ以下とすれば、２００℃の高温状態まで、電流非注入窓領域への電流の漏れ防止を保つことができる。
この場合、図７Ｂに示した結果より、ＧａＮ基板１０１の厚さが１０５μｍの場合は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを６．２×１０－４以下、ＧａＮ基板１０１の厚さが９５μｍの場合は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを５．２×１０－４以下、ＧａＮ基板１０１の厚さが８５μｍの場合は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを４．２×１０－４以下、ＧａＮ基板１０１の厚さが７５μｍの場合は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを３．２×１０－４以下、ＧａＮ基板１０１の厚さが６５μｍの場合は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを２．２×１０－４以下とすれば、それぞれΔＲを０．２５μｍ以下とすることができる。
従って、ＧａＮ基板１０１の厚さが９５μｍ以下の場合、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを５．２×１０－４以下とすれば２００℃以上の高温となっても、電流非注入窓領域への電流の漏れ防止を保つことができる。
また、図４のグラフ（ｉ）に示す結果より、ΔＲが０．２５μｍ以下の場合、２００℃の高温状態でも、共振器方向の量子井戸活性層１０６でのピエゾ電位の形成は、共振器方向の中心位置からの距離３００μｍの距離において共振器中央部よりも高い電位が徐々に形成されはじめることがわかる。共振器方向の電位差は、共振器方向に形成されるピエゾ電界を共振器方向に対して積分した大きさであるので、共振器方向の距離が長いほど、共振器方向に形成されるピエゾ電界の影響が大きくなる。
従って、共振器長が６００μｍ以上、ＧａＮ基板１０１の厚さが９５μｍ以下の場合、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを５．２×１０－４以下とすれば、２００℃以上の高温となった場合においても、共振器中央部よりも電流非注入窓領域のピエゾ電位を高めることができ、電流非注入窓領域への電流の漏れ防止効果を保つことができる。
ここで、半導体レーザ素子を高出力動作させると、共振器端面での光密度が高まり、共振器端面が、半導体レーザ素子自らのレーザ光で破壊されるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）が発生しやすくなり、半導体レーザ素子の信頼性が低下する。
これに対し、本実施の形態によれば、長共振器化により、半導体レーザ素子の熱抵抗の低減のみならず、電流非注入窓領域への漏れ電流防止効果が増大する。この結果、半導体レーザ素子の光出力を増大させても、ＣＯＤの発生をより抑制することができる。
従って、本実施の形態に示す構造において、共振器長を長くすることは、放熱性の向上のみならず、ＣＯＤの発生を抑制する効果を高めることが可能となる。
一方、長共振器長化すれば、半導体レーザ素子の大型化を招き、作製コストの増大を招くため、共振器長は所望の高出力に対し、できるだけ短い方がよい。
例えば、共振器長を１２００μｍ、１５００μｍ及び２０００μｍとすれば、それぞれ、８５℃において３Ｗ以上、３．５Ｗ以上４Ｗ以下、及び、４Ｗ以上４．５Ｗ以下の高出力動作において長期信頼性動作可能な半導体レーザ素子を得ることが可能となる。共振器長を２０００μｍ以上とすれば、８５℃において４．５Ｗ以上の高出力動作において長期信頼性動作可能な半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
ここで、実施の形態１に係る構造では、電子障壁層１０８の構成をＡｌ組成０．３（３０％）、膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮ層としているが、Ａｌ組成を高めるとバンドギャップエネルギーが大きくなるため伝導帯での電子に対するエネルギー障壁が大きくなり、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。しかしながら、あまりに電子障壁層１０８のＡｌ組成を高めたり、その膜厚を厚くしすぎたりすると、多層構造全体の平均歪において、引っ張り性の歪みが大きくなり、εｔａｖｅが増大する。従って、電子に対するエネルギー障壁を大きくしつつ、引っ張り性の歪みの増大を抑制するためには、電子障壁層１０８において、最大Ａｌ組成が３０％以上となり、最大Ａｌ組成を与える電子障壁層１０８の成長膜厚方向の位置Ｘから±１ｎｍ以内の領域では、そのＡｌ組成が、最大Ａｌ組成とほぼ同一となり、その外側の領域では、位置Ｘから遠ざかるにつれてＡｌ組成を減少させた構造としてもよい。また、電子障壁層１０８の厚さを、７ｎｍ以下としてもよい。
電子障壁層１０８の構造は、具体的には、厚さ２ｎｍ、Ａｌ組成０．０２（２％）の第１領域を形成し、Ａｌ組成０．０２（２％）からＡｌ組成０．３６（３６％）へＡｌ組成が増大する厚さ３ｎｍの第２領域、厚さ０ｎｍから２ｎｍであって、Ａｌ組成０．３６（３６％）組成一定の第３領域が順次形成されていてもよい。この構成により、Ａｌ組成０．３６（３６％）の最大Ａｌ組成による電子に対する電位障壁を形成しつつ、電子障壁層１０８の平均Ａｌ組成を低減し、引っ張り性の歪みの増大を抑制することが可能となる。
電子障壁層１０８の構成において相対的に低Ａｌ組成の組成一定の第１領域を形成することで、その後に形成する電子障壁層の第２領域でのＡｌ組成分布の制御性が向上する。つまり、第１領域を形成することによって、第２領域におけるＡｌ組成分布を所望の分布に制御し易くなる。
また、電子障壁層１０８の構成において、最大Ａｌ組成は０．３（３０％）以上であれば同様の効果を得ることができる。しかしながら、最大Ａｌ組成を０．４（４０％）以上とするとホールに対する電位障壁も大きくなり動作電圧の増大を招くことになる。したがって、電子障壁層の最大Ａｌ組成は０．３（３０％）以上、０．４（４０％）以下であることが好ましい。
また、第１領域のＡｌ組成を高くすると、電子障壁層１０８全体での平均Ａｌ組成が大きくなるが、第１領域のＡｌ組成が０．１（１０％）以下であれば、電子障壁層の平均Ａｌ組成を最大Ａｌ組成の約半分以下に低減することができる。
この場合において、ΔＲは０．２μｍ以下となり、図４に示した結果から、量子井戸活性層１０６が２００℃以上の高温状態となっても、共振器端部のピエゾ電位は、共振器方向中央部のピエゾ電位に対し安定して高くなり、電流非注入窓領域への電流の漏れを防ぐことができる。
また、さらに、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅの圧縮性を高めたければ、例えば、第１光ガイド層のＩｎ組成を４％、膜厚を２００ｎｍ、第２光ガイド層のＩｎ組成を４％、膜厚を１８０ｎｍとし、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成を５％とすればよい。これにより多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．８×１０－４とすることができるため、ΔＲが負となるように圧縮性を高めることができる。
また、ＧａＮ基板１０１に代えてＡｌＧａＮ基板を用いることで、基板の格子定数を小さくすることができる。このため、基板上に積層する多層構造の平均格子歪みの圧縮性を高めることが可能となる。この結果、ＧａＮ基板上に多層構造を形成した場合と比較して、ΔＲを０．２５μｍ以下の範囲により小さく制御することが容易となり、電流非注入窓領域への電流の漏れ防止効果を増大することが可能となる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態２に係る半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板１０１と第１クラッド層１０３との間にバッファ層を備える点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態２に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図１６Ａは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２の構成を示す模式的な断面図である。図１６Ａは、半導体レーザ素子１２の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図１６Ｂは、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。
図１６Ａに示すように、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に、ＧａＮ基板１０１の上に、ＧａＮ基板１０１側から順に第１導電型の第１クラッド層１０３、第１光ガイド層１０５、量子井戸活性層１０６、第２光ガイド層１０７、及び、第２導電型の第２クラッド層１０９が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子である。また、図１６Ｂに示すように、量子井戸活性層１０６は、実施の形態１に係る量子井戸活性層１０６と同様に、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄと、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。
半導体レーザ素子１２は、さらに、ＧａＮ基板１０１上に、バッファ層１０２を備える。つまり、半導体レーザ素子１２は、ＧａＮ基板１０１と第１クラッド層１０３との間にバッファ層１０２を備える。
半導体レーザ素子１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に、さらに、Ｎ型ＧａＮ層１０４と、電子障壁層１０８と、コンタクト層１１０と、電流ブロック層１１２と、Ｐ側オーミック電極１１３と、Ｐ側第１密着層１１４と、第１バリア層１１５と、パッド電極１１６と、Ｎ側電極１１７とを備える。
本実施の形態では、第１クラッド層１０３の膜厚は１．５μｍである。また、Ｎ側電極１１７は、膜厚４０ｎｍのＰｄと、膜厚３５ｎｍのＰｔと、膜厚１μｍのＡｕとで形成され、パッド電極１１６は、膜厚１μｍのＡｕで形成される。リッジの幅Ｗは、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に３０μｍであり、リッジ下端部と量子井戸活性層１０６との距離ｄｐを０．２μｍとしている。
半導体レーザ素子１２の共振器長は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に１２００μｍとし、共振器前後面の共振器端面近傍に電流非注入窓領域を形成している。
実施の形態２においても、実施の形態１と同様に垂直方向の活性層への光閉じ込め係数を増大しつつ、格子欠陥、クラック発生の防止、動作電圧増大の防止を実現するためＡｌＧａＮからなる各クラッド層のＡｌ組成３．５％としている。
また、実施の形態２における量子井戸活性層１０６は、実施の形態１と同様に、図１６Ｂに示すように、厚さ３０Å、Ｉｎ組成０．１８（１８％）のＩｎＧａＮからなる量子井戸層１０６ｂ、１０６ｄを２層備えたＤＱＷ構造としている。量子井戸活性層１０６は、さらに、ＩｎＧａＮからなるバリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅの厚さは、それぞれ、３ｎｍ、７ｎｍ及び３ｎｍである。
また、実施の形態１と同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成は３％、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅのＩｎ組成は４％とすることで、光分布の垂直方向の閉じ込め係数の増大、光ガイド層に発生するフリーキャリア損失発生の抑制、動作電圧の増大抑制、量子井戸活性層に発生するピエゾ電界の抑制、量子井戸活性層における利得の増大を同時に実現している。
上述したように、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２では、ＧａＮ基板１０１と、第１クラッド層との間にバッファ層１０２を備えている。バッファ層１０２は、ＧａＮ基板１０１に対して圧縮性の歪みを有する窒化物半導体層を含む歪み制御層である。半導体レーザ素子１２は、バッファ層１０２を備えることにより、ＧａＮ基板１０１上に成長した多層構造全体の平均歪みをより圧縮性とし、ＧａＮ基板１０１の反りを、ＧａＮ基板１０１を上にした場合に凹形状（ΔＲ＜０）となるように制御することが可能となる。バッファ層１０２の構成は、圧縮性の歪みを有すれば、特に限定されない。バッファ層１０２は、Ｉｎを含んでもよい。これにより、バッファ層１０２は、ＧａＮ基板１０１に対して圧縮性の歪みを有する。また、バッファ層１０２は、ＡｌＧａＮ層をさらに含んでもよい。実施の形態２では、バッファ層１０２は、Ａｌ組成１％で膜厚３００ｎｍのＡｌＧａＮ層３００ｎｍと、Ｉｎ組成４％で膜厚２００ｎｍのＩｎＧａＮ層２００ｎｍとが順次形成された積層膜である。
また、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２において、電極構造は、図１６Ａに示す構造に限定されない。以下、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の電極構成の変形例について図面を用いて説明する。
図１６Ｃは、実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ素子１２ａの構成を示す模式的な断面図である。図１６Ｄは、実施の形態１の変形例に係る半導体レーザ素子１１ａの構成を示す模式的な断面図である。
電極の構成として、図１６Ｃに示ように、ＴｉからなるＰ側第１密着層１１４がリッジ上部に形成されていなくてもよい。このような構成とすることで、半導体レーザ素子１２ａの抵抗を小さくすることが可能となり、さらに低電圧動作の半導体レーザ素子１２ａを得ることができる。また、図１６Ｃに示す電極構成は、図１６Ｄに示す半導体レーザ素子１１ａのように、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１に適用してもよい。これにより、半導体レーザ素子１２ａと同様に、半導体レーザ素子１１よりさらに低電圧動作の半導体レーザ素子１１ａを得ることができる。
ここで、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みについて図面を用いて説明する。実施の形態２に係る多層構造の平均歪みに先立って、まず、実施の形態１に係る多層構造の平均歪みの他の例について図面を用いて説明する。
図１７Ａは、実施の形態１に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の他の例を示すグラフである。図１７Ｂは、実施の形態１に係る多層構造の成長層方向における平均歪みの分布の他の例を示すグラフである。図１７Ａ及び図１７Ｂには、図１Ａに示す多層構造において、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを見積もるための一例として、バリア層のＩｎ組成を４％とし、第１光ガイド層１０５、第２光ガイド層の膜厚をともに２００ｎｍとし、Ｉｎ組成を０．０５（５％）とした場合の歪み及び平均歪みが示されている。この場合、多層構造全体での平均歪みεｔａｖｅの大きさは－２．４×１０－４となり、圧縮性の平均歪みとなっていることがわかる。したがって、この多層構造により、素子の反りの方向はΔＲが負となる方向になる。
続いて、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みについて図面を用いて説明する。図１８Ａは、実施の形態２に係る多層構造における格子不整（歪み）の膜厚方向における分布の他の例を示すグラフである。図１８Ｂは、実施の形態２に係る多層構造の成長層方向における平均歪みの分布の他の例を示すグラフである。図１８Ａ及び図１８Ｂに示す多層構造は、具体的には、図１７Ａ及び図１７Ｂの計算において用いた多層構造に、さらに、バッファ層１０２を追加した構成を有する。バッファ層１０２は、ＧａＮ基板１０１側から順に、Ａｌ組成１％で膜厚３００ｎｍのＡｌＧａＮ層１０２ｂと、Ｉｎ組成４％で膜厚２００ｎｍのＩｎＧａＮ層１０２ａとを備える。バッファ層１０２は、図１６Ａに示すように、ＧａＮ基板１０１と第１クラッド層１０３との間に配置されている。バッファ層１０２を、ＧａＮ基板１０１と第１クラッド層１０３との間に配置することによって、バッファ層１０２と量子井戸活性層１０６との間の距離を大きくすることができるため、バッファ層１０２における光強度に十分抑制できる。このため、バッファ層１０２が、光分布に与える影響を十分に抑制できる。また、バッファ層１０２をこのように配置することによって、多層構造全体の平均歪みを圧縮性に制御することができる。
ここでは、バッファ層１０２が二つの層から形成された例を示しているが、バッファ層１０２は、ＧａＮ基板１０１と第１クラッド層１０３との間に配置された、平均歪みが圧縮性の層であればよく、３層以上の多層、又は、単層で構成されていてもよい。
図１８Ａに示すように、バッファ層１０２の特にＩｎＧａＮ層１０２ａが、圧縮性の歪みを有する。このため、図１８Ｂに示すように、多層構造全体での平均歪みεｔａｖｅの大きさは－４．６×１０－４となり、図１８Ｂに示す例では、平均歪みεｔａｖｅが図１７Ｂに示した例よりも圧縮性に強められていることがわかる。したがって、バッファ層１０２を備えることにより、半導体レーザ素子の反りの方向を、ΔＲがより小さく負となる方向に制御できる。
さらに、バッファ層１０２を用いることで、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が３％程度の値でも、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを圧縮性、好ましくは－１．５×１０－４以下とすることで、半導体レーザ素子の反りをＧａＮ基板１０１側が凹となるように制御することが可能となる。この場合、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を３％程度とすることで、各光ガイド層での格子欠陥の発生、及び、フリーキャリア損失の発生をより抑制することが可能となる。
続いて、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７の合計膜厚（以下、合計厚ともいう。）、並びに、各光ガイド層のＩｎ組成と、平均歪みとの関係について図面を用いて説明する。
図１９Ａは、比較例に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７の合計厚との関係を示すグラフである。図１９Ａにおいては、図１６Ａに示す実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２の多層構造からバッファ層１０２を除去した構成の多層構造における平均歪みεｔａｖｅの計算結果が示されている。
図１９Ｂは、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７の合計厚との関係の一例を示すグラフである。図１９Ｂにおいては、図１６Ａに示す実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２の多層構造において、バッファ層１０２としてＡｌ組成１％で膜厚３００ｎｍのＡｌＧａＮ層１０２ｂ上にＩｎ組成４％で膜厚２００ｎｍのＩｎＧａＮ層１０２ａを形成した場合における計算結果が示されている。
このように引っ張り性と圧縮性の層が交互に形成された歪み補償型のバッファ層１０２では、隣り合う二つの層において転位が発生しやすい向きが逆であるため格子欠陥の発生を抑制することが可能となる。
図１９Ｃは、実施の形態２に係る多層構造の平均歪みεｔａｖｅと第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７の合計厚との関係の他の例を示すグラフである。図１９Ｃにおいては、図１６Ａに示す実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２の多層構造において、バッファ層１０２としてＩｎ組成４％で膜厚２００ｎｍのＩｎＧａＮ層を形成した場合における平均歪みεｔａｖｅの計算結果が示されている。
また、図１９Ａ～図１９Ｃにおいて、各光ガイド層のＩｎ組成を１％～７％まで変化させた複数の場合における平均歪みεｔａｖｅが示されている。
図１９Ａに示すように、バッファ層１０２を備えない多層構造において、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下、又は、－１．５×１０－４以下とするためには、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が３％の場合、各光ガイド層の合計厚は、それぞれ、４６０ｎｍ（４６００Å）以上又は６１０ｎｍ（６１００Å）以上必要であることがわかる。同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が４％の場合、それらの合計厚として、それぞれ、３５０ｎｍ（３５００Å）以上又は４６０ｎｍ（４６００Å）以上必要であることがわかる。また同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が５％の場合、その合計厚として、それぞれ、２８０ｎｍ（２８００Å）以上又は３６０ｎｍ（３６００Å）以上必要であることがわかる。
ここで各光ガイド層において用いられるＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を３％以上として合計５００ｎｍ以上成長させると、結晶成長中に格子欠陥又はピットが発生しやすくなり半導体レーザ素子の特性の劣化原因となる可能性がある。これに対し、図１９Ｂに示す例では、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下、又は、－１．５×１０－４以下とするためには、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が３％の場合、それらの合計厚は、それぞれ、２２０ｎｍ（２２００Å）以上又は３８０ｎｍ（３３００Å）以上であればよいことがわかる。同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が４％の場合、それらの合計厚は、それぞれ、２００ｎｍ（２０００Å）以上又は２８０ｎｍ（２８００Å）以上であればよいことがわかる。また同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が５％の場合、その合計厚として、それぞれ、１３０ｎｍ（１３００Å）以上又は２２０ｎｍ（２２００Å）以上であればよいことがわかる。
この結果、Ｉｎ組成３％以上の第１光ガイド層及び第２光ガイド層を使用しても、必要な各光ガイド層の合計厚を小さくできるため、格子欠陥及びピットの低減された良好な結晶を安定して得ることが可能となる。
これに対し、図１９Ｃに示す例では、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下、又は、－１．５×１０－４以下とするためには、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が３％の場合、それらの合計厚は、それぞれ、２００ｎｍ（２０００Å）以上又は３４０ｎｍ（３４００Å）以上であればよいことがわかる。この結果、Ｉｎ組成３％の光ガイド層においても、良好な結晶を安定して得ることが可能となる。同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が４％の場合、それらの合計厚は、それぞれ、１６０ｎｍ（１６００Å）以上又は２５０ｎｍ（２５００Å）以上であればよいことがわかる。また同様に、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成が５％の場合、それらの合計厚は、それぞれ、１２０ｎｍ（１２００Å）以上又は２００ｎｍ（２０００Å）以上必要であればよいことがわかる。
これらの結果から、バッファ層１０２を用いれば、Ｉｎ組成３％以上の光ガイド層を使用した場合において必要な光ガイド層の合計厚を小さくできるため良好な結晶を安定して得ることが可能となる。
以上のように、圧縮性の歪み制御層であるバッファ層１０２を用いれば、平均歪みεｔａｖｅを０以下、又は－１．５×１０－４以下とするために必要な各光ガイド層の膜厚を低減することが可能となり、結晶成長中の格子欠陥及びピットの発生を抑制することが可能となる。
次に第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を共に３％とし、それらの合計厚を２５０ｎｍとした場合に、平均歪みεｔａｖｅを０以下、又は－１．５×１０－４以下とするために必要なバッファ層１０２の構成について検討を行った。
良好な温度特性を得るために、量子井戸活性層の光閉じ込め係数は１．２％以上必要であり、これを達成する導波路構造として、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を共に３％以上、それらの合計厚を２５０ｎｍ以上とする必要がある。これよりも各光ガイド層のＩｎ組成、又は、合計厚を増大させれば、量子井戸活性層への光閉じ込め係数を増大させることが可能となる。また、Ｉｎ組成が増大させることで各光ガイド層の圧縮性が高まるために、圧縮性の歪みも増大させることができる。
上述のとおり、図１９Ｂなどに示す例では、Ａｌ組成１％のＡｌＧａＮ層１０２ｂ上にＩｎＧａＮ層１０２ａを形成した歪み補償型のバッファ層１０２を採用している。ＡｌＧａＮ層１０２ｂ及びＩｎＧａＮ層１０２ａの組成及び膜厚を、この２層の平均歪みが圧縮性となるように設定することで、圧縮性のバッファ層１０２を形成している。Ａｌ組成が小さすぎる場合には歪み補償効果が小さくなり、逆に大きくしすぎるとＧａＮ基板１０１との格子不整のために格子欠陥が生じやすくなる。実施の形態２に係る多層構造では、ＡｌＧａＮ層１０２ｂのＡｌ組成を０．５％以上１％以下とすることで、歪み補償効果と格子欠陥の抑制とを両立できる。実施の形態２に係る多層構造ではバッファ層１０２におけるＡｌＧａＮ層１０２ｂのＡｌ組成を１％としている。Ａｌ組成１％以下のＡｌＧａＮ層の場合、膜厚２μｍ程度に成長させる場合においても、格子欠陥の発生を抑制できる。
続いて、バッファ層１０２を構成する各層の膜厚と平均歪みεｔａｖｅとの関係について図面を用いて説明する。図２０は、実施の形態２に係る多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅとバッファ層１０２を構成するＩｎＧａＮ層１０２ａ及びＡｌＧａＮ層１０２ｂの各膜厚との関係を示すグラフである。図２０のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）には、それぞれ、バッファ層１０２を構成するＩｎＧａＮ層１０２ａのＩｎ組成を２％、３％、４％及び５％とし、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅのＩｎＧａＮ層厚依存性を、種々のＡｌＧａＮ層厚に対して計算した結果が示されている。図２０の各グラフには、ＡｌＧａＮ層厚を０ｎｍから２００ｎｍまで５０ｎｍ毎に変化させた各場合の計算結果が示されている。
図２０のグラフ（ａ）に示すように、Ｉｎ組成が２％のＩｎＧａＮ層１０２ａを備える多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合（つまり、ＡｌＧａＮ層がない場合）は、ＩｎＧａＮ層厚は３２０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３５０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は４２０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は４８０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は５００ｎｍ以上である必要があるであることがわかる。
また、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合においても、ＩｎＧａＮ層厚は５００ｎｍ以上必要であることがわかる。
図２０のグラフ（ｂ）に示すように、Ｉｎ組成が３％のＩｎＧａＮ層１０２ａを備える多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２２０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２６０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２８０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３２０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３４０ｎｍ以上である必要があることがわかる。
また、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３７０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は４３０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は４９０ｎｍ以上である必要があることがわかる。
図２０のグラフ（ｃ）に示すように、Ｉｎ組成が４％のＩｎＧａＮ層１０２ａを備える多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１６０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１８０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２００ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２３０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２６０ｎｍ以上である必要があることがわかる。
また、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２６０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３００ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３５０ｎｍ以上である必要があることがわかる。ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３９５ｎｍ以上、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は４４０ｎｍ以上必要であることがわかる。
図２０のグラフ（ｄ）に示すように、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを０以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１３０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１６０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１８０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は１９５ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２１０ｎｍ以上である必要があることがわかる。
また、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下にするためには、ＡｌＧａＮ層厚が０ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２２０ｎｍ以上である必要がある。同様に、ＡｌＧａＮ層厚が５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は２６０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が１０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３００ｎｍ以上である必要があることがわかる。また、ＡｌＧａＮ層厚が１５００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３３０ｎｍ以上である必要があり、ＡｌＧａＮ層厚が２０００ｎｍの場合は、ＩｎＧａＮ層厚は３６０ｎｍ以上である必要があることがわかる。
図２０の各グラフに示したそれぞれの計算結果においてＩｎＧａＮ層厚を５００ｎｍ以下とすることで、ＩｎＧａＮ層におけるピット及び格子欠陥の発生を抑制できる。ＩｎＧａＮ層厚を４００ｎｍ以下とすれば、格子欠陥及びピットの発生をさらに抑制できる。
また、ＡｌＧａＮ層の膜厚を１μｍ以下、Ａｌ組成を１％以下とし、かつ、ＩｎＧａＮ層の膜厚を４９０ｎｍ以下、Ｉｎ組成を３％以上５％以下とすれば、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．５×１０－４以下とすることができる。
図１６Ａに示す実施の形態２の多層構造では、第１光ガイド層１０５のＩｎ組成を３％、膜厚を１８５ｎｍとし、第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を３％、膜厚を１００ｎｍとし、バリア層のＩｎ組成を４％とし、さらに、バッファ層１０２を、Ａｌ組成１％、膜厚１０００ｎｍのＡｌＧａＮ層上に、Ｉｎ組成４％で膜厚３５０ｎｍのＩｎＧａＮ層を形成する構成とすることで、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを－１．８×１０－４としている。
この多層構造において、各光ガイド層でのＩｎ組成が３％であるため、（１）光ガイド層に発生するフリーキャリア損失発生を抑制すること、（２）動作電圧の増大を招かないこと、（３）量子井戸活性層に発生するピエゾ電界を抑制し、量子井戸活性層における利得を増大させること、（４）垂直方向の光閉じ込め係数を１．２％以上にすること、（５）発振しきい値を小さくすること、及び、（６）共振器方向におけるピエゾ電界によるピエゾ電位の影響により共振器端面の電流非注入窓領域への電流の漏れを抑制し、ＣＯＤレベルの低下を抑制することの六つの課題全てを実現することができる。
また、バッファ層１０２でのＡｌＧａＮ層１０２ｂ及びＩｎＧａＮ層１０２ａは、これらの合計厚が上記計算結果から得られた好適な合計厚となるように、それぞれ多層構造に分割し、多層構造、又は、超格子構造を形成してもよい。例えば、Ａｌ組成１％、膜厚１０００ｎｍのＡｌＧａＮ層上にＩｎ組成４％で、膜厚３５０ｎｍのＩｎＧａＮ層を形成したバッファ層の圧縮性の歪みは、ＡｌＧａＮ層１００ｎｍ及びＩｎＧａＮ層３５ｎｍからなるペアを１０周期積層した多層構造からなるバッファ層の圧縮性の歪みと同等である。
また、図１６Ａに示す実施の形態２の多層構造において、第１光ガイド層１０５のＩｎ組成を３％、膜厚を１７５ｎｍとし、第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を３％、膜厚を９８ｎｍとし、バリア層のＩｎ組成を４％とし、さらに、バッファ層１０２を、Ａｌ組成１％、膜厚４００ｎｍのＡｌＧａＮ層上に、Ｉｎ組成３％で膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＮ層を形成する構成とすることで、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを、１．３×１０－４とすることができる。
この場合において、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いるとΔＲは０．２μｍ以下となり、図４に示した結果から、量子井戸活性層１０６が２００℃以上の高温状態となっても、共振器端部のピエゾ電位は、共振器方向中央部のピエゾ電位に対し安定して高くなり、電流非注入窓領域への電流の漏れを抑制することができる。
以上では共振器方向に対するピエゾ電界によるピエゾ電位の影響により共振器端面の電流非注入窓領域への電流の漏れを抑制する方法について説明を行ってきた。ピエゾ効果によるピエゾ電位の形成は共振器方向のみならず、水平方向（図１６Ａ中のｘ方向）にも存在する。これは、図１Ａや図１６Ａに示す構造において、第２クラッド層１０９にリッジが形成されており、リッジ上にはＧａＮ系材料よりも大きい熱膨張係数４．２×１０－６を有するＡｕが存在する。このため、半導体レーザ素子をジャンクションダウンでサブマウント基板に実装した場合、ＡｕとＧａＮ材料との熱膨張係数の差によりｘ方向にも応力が発生し、共振器方向に垂直な平面内（ｘｙ面内）にせん断応力が発生する。
このｘｙ面内のせん断応力は、ｘ方向のピエゾ電界と、ピエゾ電位とを発生させ、量子井戸活性層１０６のｘ軸方向におけるバンド構造に影響を与える。以下、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の共振器方向に垂直な平面内において発生するせん断応力などについて図面を用いて説明する。
図２１Ａ、図２１Ｂ及び図２１Ｃは、それぞれ、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄにおける、２５℃でのｘ軸方向のせん断応力分布、ピエゾ電界分布及びピエゾ電位分布を示す図である。
図２２Ａ、図２２Ｂ及び図２２Ｃは、それぞれ、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄにおける、２５℃でのｘ軸方向のせん断応力分布、ピエゾ電界分布及びピエゾ電位分布を示す図である。
図２３Ａ、図２３Ｂ及び図２３Ｃは、それぞれ、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した場合の、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄにおける、１５０℃でのｘ軸方向のせん断応力分布、ピエゾ電界分布及びピエゾ電位分布である。
図２４Ａ、図２４Ｂ及び図２４Ｃは、それぞれ、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をサブマウント基板にジャンクションアップで実装した場合の、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄにおける、１５０℃でのｘ軸方向のせん断応力分布、ピエゾ電界分布及びピエゾ電位分布である。
図２１Ａ～図２４Ｃの各図においては、ダイヤモンド、ＡｌＮ及びＳｉＣで形成されたサブマウント基板の各々を用いた場合における計算結果が示されている。また、リッジのｘ軸方向における中央部を距離０μｍの中心としている。
図２１Ａ及び図２３Ａに示すように、ジャンクションダウンで実装した場合、ダイヤモンドサブマウントに実装した場合と、ＡｌＮ、ＳｉＣサブマウント基板に実装した場合では、ｘ方向のせん断応力や、それに基づくｘ方向のピエゾ電界の向きが逆向きとなっている。これは、前述したように、ＳｉＣの熱膨張係数は６．６×１０－６、ＡｌＮの熱膨張係数は４．１５×１０－６であるのに対して、ダイヤモンドの熱膨張係数は１．１×１０－６であり、ＧａＮの熱膨張係数５．５９×１０－６と比較しても相対的に小さいことに起因すると考えられる。この場合、接合層１２１としてＡｕＳｎ半田を使用し、３００℃程度の高温状態でサブマウント基板に実装する際、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板の熱膨張係数が小さいため、２５℃に温度を低下させた場合、半導体レーザ素子との熱膨張係数の差による熱残留応力の影響が、ＳｉＣ又はＡｌＮで形成されたサブマウント基板を用いる場合と比較して大きくなる。このため、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子を実装した場合、半導体レーザ素子のｘ軸方向における引っ張り性の応力が、ＳｉＣやＡｌＮで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子を実装する場合と比較して大きくなる。このとき、ｘｙ面内のせん断応力は、リッジの外側の方がリッジ部と比較して相対的にピエゾ電位が高くなる方向に形成される。これにより、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いた場合、２５℃から１５０℃の高温状態まで、図２１Ｃ及び図２３Ｃに示すように、リッジ外にピエゾ効果による電位障壁が形成され、リッジ外への電流の漏れを抑制する効果があることがわかった。ＳｉＣ又はＡｌＮをサブマウント基板に用いた場合、半導体レーザ素子が１５０℃の高温状態となると、注入した電流がリッジ外へ漏れることを抑制するピエゾ電位がほとんどなくなり、ダイヤモンドサブマウント基板を用いた場合と比較して、漏れ電流の増大を招くことがわかる。半導体レーザ素子を８５℃の環境温度で使用した場合、半導体レーザ素子の量子井戸活性層を含む導波路は自己発熱の影響により１５０℃以上の高温状態となっている。このため１５０℃以上の高温状態でも、リッジ外への電流の漏れを抑制するためのピエゾ電位を形成することによって、動作電流値の増大及び光出力の熱飽和を抑制するのみならず、動作電流そのものを低減することもできるため、共振器端面近傍の電流非注入窓領域への電流の漏れを低減することもできる。
このリッジ外への電流の漏れを抑制するピエゾ電位の形成は、図２２Ｃ及び図２４Ｃに示すように、ダイヤモンドをサブマウント基板に用いたとしても、ジャンクションアップ実装では見られない。これは、ジャンクションアップ実装では、量子井戸活性層１０６とサブマウント基板との間隔が大きく、サブマウント基板材料との熱膨張係数の差が出にくいためと考えられる。
このように、リッジ型の半導体レーザ素子をジャンクションダウンで実装した場合、リッジ外への電流の漏れを抑制する効果が新たに加わり、ＳｉＣ及びＡｌＮと比較して熱伝導率が高いことによる高放熱性の効果以上の低動作電流化の効果を得ることができることがわかった。
また、リッジ外への電流の漏れを抑制するピエゾ電位の形成は、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板と半導体レーザ素子の構成材料である窒化物材料、主にＡｕからなる電極材料との熱膨張係数の差から形成されるため、電流ブロック層１１２の材料はＳｉＯ２に限らず、レーザ発振光に対して透明である絶縁物、例えば、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＮなどの材料や、ＡｌＮのような半導体材料であってもよい。ＡｌＮの熱伝導率は、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、ダイヤモンドの熱伝導率よりは小さいが、例えばＳｉＯ２（熱伝導率１．３８Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、ＺｒＯ２（熱伝導率４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、Ａｌ２Ｏ３（熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）などの酸化物材料、及び、窒化珪素（ＳｉＮ；熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）の熱伝導率と比較して高い。このため、高放熱性を得るためにはＡｌＮからなる電流ブロック層１１２を用いることは有効である。
ここで、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いる効果について図面を用いて説明する。図２５Ａ及び図２５Ｂは、それぞれ、実施の形態２に係る半導体レーザ素子をダイヤモンド、及び、ＳｉＣで形成されたサブマウント基板に実装した場合の２５℃及び８５℃での電流－光出力特性の測定結果を示すグラフである。
図２５Ａ及び図２５Ｂより、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いる場合の方が、ＳｉＣで形成されたサブマウント基板を用いる場合より、発振しきい電流が低く、スロープ効率が高いことがわかる。特に、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板を用いる場合、８５℃の高温状態においても３Ａの大電流を注入しても電流－光出力特性に熱飽和の傾向がほとんど生じていないことがわかる。これは、前述のように、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板による高放熱性の効果と、リッジ外への電流も漏れを抑制するようにピエゾ電位が形成されることに伴う無効電流の発生抑制効果とに起因すると考えられる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態３に係る半導体レーザ素子は、第３光ガイド層および第３クラッド層を備える点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態３に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図２６Ａは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３の構成を示す模式的な断面図である。図２６Ａは、半導体レーザ素子１３の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図２６Ｂは、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。
図２６Ａに示すように、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に、ＧａＮ基板１０１の上に、ＧａＮ基板１０１側から順に第１導電型の第１クラッド層１０３、第１光ガイド層１０５、量子井戸活性層１０６、第２光ガイド層１０７、及び、第２導電型の第２クラッド層１０９が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子である。また、図２６Ｂに示すように、量子井戸活性層１０６は、実施の形態１に係る量子井戸活性層１０６と同様に、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄと、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。
半導体レーザ素子１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に、さらに、Ｎ型ＧａＮ層１０４と、電子障壁層１０８と、コンタクト層１１０と、電流ブロック層１１２と、Ｐ側オーミック電極１１３と、Ｐ側第１密着層１１４と、第１バリア層１１５と、パッド電極１１６と、Ｎ側電極１１７とを備える。
半導体レーザ素子１３は、図２６Ａに示すように、さらに、第２クラッド層１０９の上に第３光ガイド層１３０及び第３クラッド層１３１を備える。半導体レーザ素子１３においては、第２クラッド層１０９は、Ｐ型ＡｌＧａＮで形成され、膜厚は０．２μｍである。
第３光ガイド層１３０は、Ｐ型のＩｎＧａＮで形成された膜厚０．２μｍの層である。
第３クラッド層１３１は、Ｐ型のＡｌＧａＮで形成された膜厚０．２μｍの層である。第３クラッド層１３１のＡｌ組成は、第２クラッド層１０９と同様に０．０３５（３．５）である。
半導体レーザ素子１３においても、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と同様に、リッジが形成されているが、半導体レーザ素子１３においては、図２６Ａに示すように、リッジは、第３光ガイド層１３０及び第３クラッド層１３１に形成されている。リッジの下端部が第２クラッド層１０９の上面に配置されている。
半導体レーザ素子１３においては、第３光ガイド層１３０を備えることで、活性層に水平な方向（図２６Ａ中のｘ方向）の量子井戸活性層１０６におけるせん断応力が大きくなるように制御することができる。ＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大きいため、第３光ガイド層１３０は、リッジ部を水平方向に伸長させる向きの応力を、リッジ近傍領域に付加することになる。この結果、量子井戸活性層１０６のせん断応力分布が影響を受け、当該せん断応力を大きくすることができる。ここで、量子井戸活性層１０６におけるせん断応力について、図面を用いて説明する。
図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃは、それぞれ、第３光ガイド層１３０のＩｎ組成を０％（つまり、第３光ガイド層１３０がＧａＮで形成される）、１％及び２％と変化させた場合の量子井戸活性層１０６における量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄでの、２５℃におけるせん断応力のｘ軸方向分布を示すグラフである。距離０μｍとなる位置は、リッジのｘ軸方向における中央部としている。図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示すように第３光ガイド層１３０のＩｎ組成を０％、１％及び２％と大きくすると、せん断応力のピーク値の絶対値が大きくなり、せん断応力が強まっていることがわかる。これは、Ｉｎ組成を大きくすると、第３光ガイド層１３０の格子不整が大きくなり、リッジ下端部をリッジ外側の方向へ水平方向に広がる向きの応力が大きくなることに起因している。この結果、量子井戸活性層１０６に生じる応力において、ｘｙ面内での回転性の応力成分が強まり、せん断応力のピーク値の絶対値が大きくなる。このせん断応力により、量子井戸活性層１０６に生じるピエゾ電位について図面を用いて説明する。
図２８は、実施の形態３に係る量子井戸活性層１０６に生じるピエゾ電位とｘ軸方向位置との関係を示すグラフである。図２８には、第３光ガイド層１３０のＩｎ組成を０％、１％及び２％と変化させた場合の各ピエゾ電位が示されている。図２８に示すように、リッジ内外のピエゾ電位による電位障壁は、Ｉｎ組成の増大に伴って大きくなり、注入電流のリッジ外への漏れ発生の抑制効果を増大することができる。この結果、高温高出力動作にさらに優れた半導体レーザ素子１３を得ることができる。
リッジ外への電流の漏れを抑制するためのピエゾ電位を形成することによって、動作電流値の増大及び光出力の熱飽和を抑制するのみならず、動作電流そのものを低減することもできるため、共振器端面近傍の電流非注入窓領域への電流の漏れを低減することもできる。
ここで、リッジ導波路に発生するせん断応力は、熱膨張係数又は格子定数の異なる材料の境界で発生する。このため、リッジ下端部の電流ブロック層１１２の近傍領域（図２６Ａ中の領域Ａ１及び領域Ａ２）において、せん断応力は最も大きくなる。したがって、第３光ガイド層１３０は、リッジ下端部に形成し、この領域にＩｎＧａＮ層の格子不整によって生じる応力を付加することで、せん断応力をより強めることが可能となる。一方、第３光ガイド層１３０の膜厚を厚くしすぎると、第３光ガイド層１３０の屈折率が第２クラッド層１０９及び第３クラッド層１３１と比較して高いため、光分布の量子井戸活性層１０６への垂直方向の閉じ込め効果が低下し、光閉じ込め係数の低下を招いてしまう。実施の形態３に係る半導体レーザ素子では、第３光ガイド層１３０の膜厚は０．１μｍ以上、０．２μｍ以下とすることで、ピエゾ電位の増大効果と、光閉じ込め効果とを両立できる。
また、第３光ガイド層１３０をＧａＮとしても、この領域がＡｌＧａＮ層である場合に対して生じる引っ張り性の応力と比較して、引っ張り性の応力が小さくなるため、ピエゾ電位を高める効果を有している。したがって、第３光ガイド層１３０のＩｎ組成を０％から２％とすれば、リッジ部のＰ型層をすべてＡｌＧａＮ層で形成する場合よりも、注入電流のリッジ外への漏れ発生の抑制効果を高めることができる。実施の形態３では、第３光ガイド層１３０のＩｎ組成を１％。膜厚を０．２μｍとしている。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態４に係る半導体レーザ素子は、リッジの下端部が第３光ガイド層の成長膜厚方向内に配置されている点において、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態４に係る半導体レーザ素子について、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図２９Ａは、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４の構成を示す模式的な断面図である。図２９Ａは、半導体レーザ素子１４の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図２９Ｂは、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。
図２９Ａに示すように、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３と同様に、ＧａＮ基板１０１の上に、ＧａＮ基板１０１側から順に第１導電型の第１クラッド層１０３、第１光ガイド層１０５、量子井戸活性層１０６、第２光ガイド層１０７、及び、第２導電型の第２クラッド層１０９が積層された多層構造を有する窒化物系半導体発光素子である。また、図２９Ｂに示すように、量子井戸活性層１０６は、実施の形態１に係る量子井戸活性層１０６と同様に、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄと、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。
半導体レーザ素子１４は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３と同様に、さらに、Ｎ型ＧａＮ層１０４と、電子障壁層１０８と、コンタクト層１１０と、電流ブロック層１１２と、Ｐ側オーミック電極１１３と、Ｐ側第１密着層１１４と、第１バリア層１１５と、パッド電極１１６と、Ｎ側電極１１７とを備える。
半導体レーザ素子１４は、さらに、第２クラッド層１０９の上に第３光ガイド層１３０及び第３クラッド層１３１を備える。
実施の形態４に係る多層構造は、図２９Ａに示すように、図２６Ａに示す実施の形態３に係る多層構造において、リッジ下端部が、膜厚０．２μｍのＰ型ＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層１３０の成長膜厚方向内に配置されている。つまり、リッジ下端部は、第３光ガイド層１３０の膜厚方向（図２９Ａのｙ軸方向）の両端の間に配置されている。実施の形態４に係る多層構造のその他の構成は、実施の形態３に係る多層構造と同一である。
このような半導体レーザ素子１４においても、リッジ下端部のリッジ内領域に存在する第３光ガイド層１３０の膜厚が０．１μｍ以上、０．２μｍ以下であれば、実施の形態３に示した半導体レーザ素子１３と同様の効果を得ることが可能である。
（実施の形態５）
実施の形態５に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態５に係る半導体レーザ素子は、バッファ層を備える点において、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態５に係る半導体レーザ素子について、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図３０Ａは、実施の形態５に係る半導体レーザ素子１５の構成を示す模式的な断面図である。図３０Ａは、半導体レーザ素子１５の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図３０Ｂは、実施の形態５に係る半導体レーザ素子１５における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。
図３０Ａに示すように、実施の形態５に係る半導体レーザ素子１５は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３に加えて、さらに、バッファ層１０２を備える。また、図３０Ｂに示すように、半導体レーザ素子１５の量子井戸活性層１０６は、半導体レーザ素子１３と同様に、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄと、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。
この構成においても、第３光ガイド層１３０の膜厚が０．１μｍ以上、０．２μｍ以下であれば、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３と同様の効果を得ることが可能である。また、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２と同様の効果も得ることが可能である。
（実施の形態６）
実施の形態６に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態６に係る半導体レーザ素子は、バッファ層を備える点において、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態６に係る半導体レーザ素子について、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４との相違点を中心に図面を用いて説明する。
図３１Ａは、実施の形態６に係る半導体レーザ素子１６の構成を示す模式的な断面図である。図３１Ａは、半導体レーザ素子１６の共振器長方向に対して垂直な断面を示している。図３１Ｂは、実施の形態６に係る半導体レーザ素子１６における量子井戸活性層１０６の構成を示す模式的な断面図である。
図３１Ａに示すように、実施の形態６に係る半導体レーザ素子１６は、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４に加えて、さらに、バッファ層１０２を備える。また、図３１Ｂに示すように、半導体レーザ素子１６の量子井戸活性層１０６は、半導体レーザ素子１３と同様に、量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄと、バリア層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅを備える。
この構成においても、第３光ガイド層１３０の膜厚が０．１μｍ以上、０．２μｍ以下であれば、実施の形態４に係る半導体レーザ素子１４と同様の効果を得ることが可能である。また、実施の形態２に係る半導体レーザ素子１２と同様の効果も得ることが可能である。
以上で述べた実施の形態３～６に係る半導体レーザ素子において、前述のように、リッジ導波路に発生するせん断応力は、熱膨張係数又は格子定数の異なる材料の境界で発生する。このため、リッジ下端部の電流ブロック層１１２の近傍領域（図２６Ａ中の領域Ａ１及び領域Ａ２）において、せん断応力は最も大きくなる。
リッジ型のレーザの場合、せん断応力は図２６Ａ中の領域Ｂ１及びＢ２でも発生し、量子井戸活性層１０６でのｘ方向せん断応力分布にも影響を与える。領域Ｂ１で発生するせん断応力と領域Ａ１で発生するせん断応力は互いにせん断応力の回転の向きが逆である。また、領域Ｂ２で発生するせん断応力と領域Ａ２で発生するせん断応力も、互いにせん断応力の回転の向きが逆である。このため、リッジ両側の分離溝幅Ｄ（図２６Ａ参照）が狭いと、領域Ｂ１及びＢ２のせん断応力が領域Ａ１及びＡ２のせん断応力を打ち消してしまい、量子井戸活性層に生じるせん断応力の絶対値が小さくなる。この結果、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装した場合にｘ軸方向に形成されるピエゾ電位が小さくなってしまう。
ここで、せん断応力と分離溝幅Ｄとの関係について図面を用いて説明する。図３２Ａ、図３２Ｂ及び図３２Ｃは、それぞれ、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の２５℃における量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄに生じるせん断応力、ピエゾ電界及びピエゾ電位の計算結果を示す図である。なお、図３２Ｃには、分離溝領域がチップの両端まで到達している場合、つまり、分離溝幅が最大である場合のピエゾ電位を点線で示している。図３２Ｃに示すように、分離溝幅Ｄが小さいとピエゾ電位が小さくなり、６μｍ以上で、リッジの端部（図３２Ｃの距離―１５μｍ及び＋１５μｍの位置）におけるピエゾ電位の大きさがほぼ一定になることがわかる。また、分離溝内に形成される電位障壁の幅は、分離溝幅の減少と共に狭くなるため、５μｍ以上の電位障壁幅を形成するために分離溝幅は６μｍ以上としている。
図３３Ａ、図３３Ｂ及び図３３Ｃは、それぞれ、実施の形態３に係る半導体レーザ素子１３の分離溝幅Ｄを２μｍから２４μｍまで変えた場合の１５０℃における量子井戸層１０６ｂ及び１０６ｄに生じるせん断応力、ピエゾ電界及びピエゾ電位の計算結果を示す図である。２５℃の場合と同様に、分離溝幅Ｄが小さいとピエゾ電位が小さくなり、６μｍ以上で、リッジの端部（図３３Ｃの距離―１５μｍ及び＋１５μｍの位置）におけるピエゾ電位の大きさがほぼ一定になることがわかる。また、分離溝内に形成される電位障壁の幅は、分離溝幅の減少と共に狭くなるため、５μｍ以上の電位障壁幅を形成するために分離溝幅は６μｍ以上としている。
この結果から、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子をジャンクションダウンで実装する場合、分離溝幅を６μｍ以上で形成しなければ、ｘ軸方向に形成されるピエゾ電位が小さくなり、リッジに注入された電流のリッジ外への漏れ抑制効果が小さくなる。
また、分離溝幅Ｄが広くなりすぎると、ジャンクションダウン実装時に実装の荷重がリッジ部に集中しリッジ領域が破損する可能性がある。また、リッジ直下の量子井戸活性層に格子欠陥が発生する可能性がある。実施の形態３～６に係る半導体レーザ素子では、分離溝幅Ｄを１５μｍ以内とすることで、このようなリッジの破損を低減することができる。
したがって、分離溝幅Ｄを６μｍ以上、１５μｍ以下とすることによって、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板に半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装する際のリッジの破損やリッジ領域の格子欠陥発生を抑制しつつ、リッジに注入された電流のリッジ外への漏れ抑制効果を得ることができる。
本開示における各実施の形態においては、いずれも、分離溝幅Ｄを７μｍとすることで、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板にジャンクションダウン実装時のリッジの破損及びリッジ領域の格子欠陥発生を抑制しつつ、リッジに注入された電流のリッジ外への漏れ抑制効果を得ている。
（実施の形態７）
実施の形態７に係る半導体レーザ素子について説明する。以上で説明した各実施の形態に係る半導体レーザ素子においては、（０００１）Ｃ面のＧａＮ基板上に多層構造を作製した構成を採用している。このようにＣ面上に窒化物層を形成した場合、格子不整の存在するヘテロ界面にはピエゾ分極電荷が発生し、ＧａＮ基板の主面に対する法線方向に、例えば図２のグラフ（ｃ）に示すようにＣ軸方向（（０００１）方向）のピエゾ電界が発生し動作電圧の増大をもたらす。このようなＣ軸方向のピエゾ電界の発生を抑制し、動作電圧の低減を図るために、実施の形態７に係る半導体レーザ素子は、ＧａＮ｛１１－２２｝面からなる半極性面上に多層構造を作製している。以下、実施の形態７に係る半導体レーザ素子について図面を用いて説明する。
図３４は、実施の形態７に係る半導体レーザ素子１７の構成を示す模式的な断面図である。
実施の形態７に係る半導体レーザ素子１７は、図３４に示すように、ＧａＮ基板１４０において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と相違し、その他の点において一致する。実施の形態７に係るＧａＮ基板１４０の主面は、上述のとおり、｛１１－２２｝面からなる半極性面である。
ここで、上記各実施の形態のＧａＮ基板１０１が有するＣ面は極性面と呼ばれ、最もピエゾ分極の影響が大きくなる面である。しかし、Ｃ面に垂直な｛１０－１０｝面（Ｍ面）、｛１１－２０｝面（Ａ面）などの面は、分極が発生せず、無極性面と呼ばれる。このような面を有するＧａＮ基板を用いることで、半導体レーザ素子におけるピエゾ分極に起因する発光効率の低下を抑制できる可能性がある。また、Ｃ面以外の面で無極性面から傾いた面、例えば、｛２０－２１｝面や｛１１－２２｝面などは、半極性面と呼ばれ、ピエゾ分極を小さくすることができる。
ＧａＮ基板１４０上に形成される多層構造は、実施の形態１に示した多層構造と、第１クラッド層１６３、電子障壁層１６８及び第２クラッド層１６９において相違し、その他の点において一致する。
半導体レーザ素子１７は、電子障壁層１６８を備えるが、必ずしも備えなくてもよい。また、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１６３、及び、Ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１６９のＡｌ組成は、１％程度以下又は０％（ＧａＮ）であってもよい。つまり、多層構造におけるＡｌ組成は１％以下であってもよい。その理由については実施の形態８において述べる。
また、実施の形態７に係る半導体レーザ素子１７は、圧縮性のバッファ層１０２をさらに備えてもよい。図３５は、実施の形態７の変形例に係る半導体レーザ素子１７ａの構成を示す模式的な断面図である。図３５に示すように半導体レーザ素子１７ａは、圧縮性のバッファ層１０２を備える。
（実施の形態８）
実施の形態８に係る半導体レーザ素子について説明する。実施の形態７において述べたようなＣ軸方向のピエゾ電界の発生を抑制し、動作電圧の低減を図るために、実施の形態８に係る半導体レーザ素子は、ＧａＮ｛１０－１０｝面（Ｍ面）からなる無極性面上に多層構造を作製している点において、上記の各実施の形態に係る半導体レーザ素子と相違する。以下、実施の形態８に係る半導体レーザ素子について、上記各実施の形態に係る半導体レーザ素子との相違点を中心に、図面を用いて説明する。
図３６は、実施の形態８に係る半導体レーザ素子１８の構成を示す模式的な断面図である。図３７は、実施の形態８の変形例に係る半導体レーザ素子１８ａの構成を示す模式的な断面図である。
実施の形態８に係る半導体レーザ素子１８は、図３６に示すように、主面が｛１０－１０｝面（Ｍ面）であるＧａＮ基板１４１を備える。ＧａＮ基板１４１上に形成される多層構造は、実施の形態１に示した多層構造と、第１クラッド層１６３、電子障壁層１６８及び第２クラッド層１６９において相違し、その他の点において一致する。
また、半導体レーザ素子１８は、圧縮性のバッファ層１０２を備えてもよい。図３７に示すように、実施の形態８の変形例に係る半導体レーザ素子１８ａは、バッファ層１０２を備える。
半導体レーザ素子１８は、電子障壁層１６８を備えるが、必ずしも備えなくてもよい。また、第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９のＡｌ組成は、１％程度以下又は０％（ＧａＮ）であってもよい。つまり、多層構造におけるＡｌ組成は１％以下であってもよい。その理由については後述する。
半極性面又は無極性のＧａＮ基板上に多層構造を形成することで、ＧａＮ基板に対する法線方向に発生するピエゾ電界の発生を低減、又は、無くすことができ、動作電圧を低減することが可能となる。これは、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮはＧａＮとは格子定数が異なるため、格子不整によりピエゾ分極電荷がヘテロ界面に発生していたが、その発生が抑制、又は、防止される。このため、Ｃ面上に形成した場合に発生していたバンド構造のＧａＮ基板に対する法線方向の変形が抑制され低電圧化を実現することができる。したがって、量子井戸活性層に発生していた図２のグラフ（ｃ）に示すようなＣ軸方向（（０００１）方向）のピエゾ電界が抑制され、又は、無くなるため、バンド構造が図２のグラフ（ａ）に示す状態となる。その結果、量子井戸活性層において、図９Ｂに示すように、少ない注入キャリア密度で高い利得を得ることが可能となり、発振しきい電流値、及び、動作中の動作キャリア密度を低減することが可能となる。このため、高温高出力動作中の動作キャリア密度が小さくなり、熱的に励起されたキャリアが量子井戸活性層から各クラッド層へ漏れるキャリアオーバーフローの発生が抑制される。その結果、各クラッド層にＡｌＧａＮを用いて量子井戸活性層への光閉じ込めを増大する必要性、及び、電子障壁層１６８を用いてキャリアオーバーフローの発生を抑制する必要性がなくなる。したがって、上述したように、半導体レーザ素子１８は、電子障壁層１６８を備えなくてもよく、第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９のＡｌ組成は、１％程度以下又は０％（ＧａＮ）であってもよい。つまり、多層構造におけるＡｌ組成は１％以下であってもよい。
また、半極性あるいは無極性のＧａＮ基板を用いると、量子井戸層とバリア層との界面で生じるピエゾ分極電荷が小さくなる、あるいは無くなるため、量子井戸活性層の量子井戸層の層数をＤＱＷ構造から例えば４層に増やしても動作電圧の増大を招くことなく、量子井戸層全体への垂直方向光閉じ込め係数を大きくすることができる。
その結果、量子井戸層の層数を増やせば、量子井戸層での動作キャリア密度が小さくなり、キャリアオーバーフローの発生をさらに抑制することができる。
このようにＡｌＧａＮ層を多層構造に使用すると、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ基板に対して引っ張り性の歪みを生じるため、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅにおいて引っ張り性を強める方向に働く。その結果、半導体レーザ素子の反りは基板を上にして凸形状（ΔＲ＞０）となる方向に働くことになる。このため、半導体レーザ素子の反りはＧａＮ基板を上にして凹形状（ΔＲ＜０）となる方向の形状とするためには、Ａｌを含む層のＡｌ組成を低くするか、使用しない方がよい。
ここで、多層構造におけるバンド構造と、ＧａＮ基板の主面の極性との関係について図面を用いて説明する。図３８Ａは、主面がＣ面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層１６６近傍のバンド構造を示す図である。
また、図３８Ｂは、主面が半極性面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層１６６近傍のバンド構造を示す図である。
また、図３８Ｃは、主面が無極性面であるＧａＮ基板に、Ａｌ組成が０である第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９を備える多層構造を形成した場合における量子井戸活性層１６６近傍のバンド構造を示す図である。
ここで、量子井戸活性層１６６の量子井戸層の層数は４層としている。各量子井戸層のＩｎ組成は１８％で、膜厚は３０Åである。また、各バリア層の膜厚は端から順に、３ｎｍ、７ｎｍ、７ｎｍ、７ｎｍ及び３ｎｍである。また、電子障壁層１６８も、Ａｌ組成が０である（つまりＧａＮである）。
図３８Ａに示すように、Ｃ面上に多層構造を形成すると、量子井戸活性層１６６の量子井戸層にはピエゾ電界が大きく発生している。これにより、動作電圧の増大、及び、波動関数の偏りによる利得低下が発生する。
これに対し、図３８Ｂに示すように、半極性面上に多層構造を形成すると、量子井戸活性層１６６の量子井戸層に生じるピエゾ電界はその大きさが小さくなっている。これにより、動作電圧の増大、及び、波動関数の偏りによる利得低下が抑制される。
また、図３８Ｃに示すように、無極性面上に多層構造を形成すると、量子井戸活性層の量子井戸層に生じるピエゾ電界は無くなっている。これにより、動作電圧の増大が抑制され、波動関数の偏りにより利得低下が防止される。
これらのことから、主面が半極性面又は無極性面であるＧａＮ基板上に多層構造を形成すれば、少ない注入電流で高い利得を各量子井戸層から得ることができるため、低電圧で、低動作電流の半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
また、ＧａＮ基板を上にして凹形状の半導体レーザ素子を、ジャンクションダウンでサブマウント基板に接合層としてＡｕＳｎ半田を用いて実装する場合、３００℃程度の高温状態で実装することになる。その状態から２５℃へ温度を下げると半田層及びＰ側の電極は熱膨張係数に応じて縮む。このため半導体レーザ素子の凹形状を表すΔＲは、実装前より小さくなる。
逆に、ＧａＮ基板を上にして凸形状のレーザ素子を、ジャンクションダウンでサブマウント基板にＡｕＳｎ半田を用いて実装する場合も同様に、３００℃程度の高温状態で実装することになる。その状態から２５℃へ温度を下げると半田層やＰ型層側の電極は熱膨張係数に応じて縮むため、素子の凸形状を表すΔＲは、実装前より大きくなる。
ここで、量子井戸活性層に生じている図３Ａ及び図３Ｂのｚ軸方向の圧縮性の歪みは、凹形状の方が、量子井戸活性層がより引き伸ばされるため、圧縮性の歪みが小さくなる。そのため、ＧａＮ基板を上にして凹形状の方が、量子井戸活性層に生じる圧縮性の応力が小さくなる傾向があり、格子欠陥の発生抑制に有利である。
半極性基板又は無極性基板を用いるとＡｌＧａＮ層を使用しなくても、少ない注入電流で高い利得を各量子井戸層から得ることができるため、低電圧で、低動作電流のレーザ素子を得ることが可能となる。さらに、多層構造においては、ＡｌＧａＮクラッド層にＡｌを使用しなければ、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅは、多層構造において圧縮性のバッファ層を使用せずとも容易に圧縮性となり、ＧａＮ基板を上にして凹形状（ΔＲ＜０）とすることができる。この場合、量子井戸活性層の量子井戸層の層数を増やせば、その効果は大きくなる。したがって、多層構造の平均歪みεｔａｖｅを圧縮性とすると同時に、量子井戸に生じている圧縮歪みを低減することができ、格子欠陥の発生を抑制できる。このため、長期動作に適した信頼性の高い半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
ここで、半導体レーザ素子の動作電圧と各クラッド層のＡｌ組成及び量子井戸層数との関係について図面を用いて説明する。
図３９Ａ、図３９Ｂ及び図３９Ｃは、それぞれ、Ｃ面上、半極性面上、及び、無極性面上に多層構造を形成した半導体レーザ素子における１００ｍＡ動作時の動作電圧の各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。図３９Ａ～図３９Ｃにおいては、図３４に示す半導体レーザ素子と同様の構造を有する半導体レーザ素子の動作電圧が示されている。また、図３９Ａ～図３９Ｃにおいては、量子井戸層数を２層から４層まで変えた場合の計算結果が示されている。電子障壁層のＡｌ組成は、各計算において、各クラッド層のＡｌ組成と同一としている。量子井戸層数が３層の場合のバリア層の膜厚は、ＧａＮ基板側から順に３ｎｍ、７ｎｍ、７ｎｍ及び３ｎｍとしている。
図３９Ａに示すように、Ｃ面上に多層構造を形成する場合、量子井戸層数を増やすと基板法線方向のピエゾ電界のために動作電圧が比較的大きく増大することがわかる。
これに対し、図３９Ｂ及び図３９Ｃに示すように、半極性又は無極性基板上に多層構造を形成する場合、量子井戸層数を増やしても、動作電圧の増大が抑制されることがわかる。特に、量子井戸層数を２層から３層に増やしても動作電圧の増大は、ほぼ抑制されていることがわかる。量子井戸層数が３層の場合、量子井戸活性層への垂直方向の閉じ込め係数を、量子井戸層数が３層の場合と比較してほぼ１．５倍に増大することができるので、量子井戸活性層での動作キャリア密度を低減できる。
また、半極性又は無極性基板を使用すると、各クラッド層のＡｌ組成を１％まで増やしても、動作電圧の増大が抑制されていることがわかる。したがって、半極性又は無極性基板では、各クラッド層のＡｌ組成を０％（ＧａＮ）以上、１％以下としても、動作電圧がほとんど増大しないことがわかる。
続いて、多層構造の平均歪みεｔａｖｅと、各クラッド層のＡｌ組成及び量子井戸層数との関係について図面を用いて説明する。図４０は、多層構造の平均歪みεｔａｖｅの各クラッド層のＡｌ組成依存性を示すグラフである。図４０においては、図３４に示す構造でバリア層のＩｎ組成を４％とし、第１光ガイド層１０５及び第２光ガイド層１０７のＩｎ組成を３％とし、第１光ガイド層１０５と第２光ガイド層１０７との合計厚を３００ｎｍとした場合の、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅの計算結果が示されている。図４０においては、１層～５層の量子井戸層数について計算を行った結果が示されている。計算では、ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１６３及び第２クラッド層１６９のＡｌ組成と電子障壁層１６８のＡｌ組成と同一としている。
図４０に示すように、量子井戸層数を１層から５層へと増加すると平均歪みεｔａｖｅの圧縮性が高まることがわかる。特にＡｌ組成１％以下では、平均歪みεｔａｖｅが－２×１０－４以下となりΔＲが負の状態が得られることがわかる。
したがって、半極性基板又は無極性基板を用いるとＡｌ組成１％以下のクラッド層を使用するか、又は、Ａｌを含まない層を使用しても、少ない注入電流量で高い利得を各量子井戸層から得ることができる。このため、低電圧で、低動作電流のレーザ素子を得ることが可能となる。さらに、多層構造においては、各クラッド層のＡｌ組成１％以下とすれば、圧縮性のバッファ層を使用することなしに、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅを圧縮性とすることができるため、ＧａＮ基板を上にして凹形状（ΔＲ＜０）とすることができる。この場合、量子井戸活性層の量子井戸層数を増やせば、その効果は大きくなる。したがって、多層構造の平均歪みεｔａｖｅを圧縮性とすると同時に、量子井戸層に生じている圧縮歪みを低減することができ、格子欠陥に発生を抑制できる。このため、長期動作に適した信頼性の高いレーザ素子を実現することが可能となる。
（実施の形態９）
実施の形態９について説明する。実施の形態９では、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１をサブマウント基板１２２に実装する形態について説明する。
半導体レーザ素子１１を、基板側を上にして凹形状となる素子をジャンクションダウンでサブマウント基板に実装した場合、共振器方向中央部が凹形状であるため、多層構造のサブマウント基板側端部は、共振器方向中央部において凸形状である。したがって、実装時にサブマウント基板のうち、共振器方向中央部近傍に対応する部分に最初に荷重が集中する。このため、図４１に示すように、レーザ素子の中央部近傍の側壁には接合層を形成する半田のはみ出しが生じやすくなる。
この状態について図面を用いて詳細に説明する。図４２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１をサブマウント基板１２２にジャンクションダウンで実装する直前の状態を示す模式的な断面図である。図４２には、半導体レーザ素子１１の共振器方向に垂直な断面が示されている。また図４２には、の実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１の断面図を実装時の状態に合わせて示しており、図４２に示す半導体レーザ素子１１の断面図は、図１Ａに示す断面図に対して上下方向に反転されている。
図４２に示すように、半導体レーザ素子１１の第１バリア層１１５上に形成されているパッド電極１１６は、膜厚０．６μｍのＡｕからなる第１パッド電極２０１と、膜厚３５ｎｍのＰｔからなる第２バリア層２０２と、膜厚１．０μｍのＡｕからなる第２パッド電極２０３とを備える。また、Ｐ側第１密着層１１４、第１バリア層１１５、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２及び第２パッド電極２０３がＰ側多層電極１１８を形成する。
また、図４２には、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板１２２とその上に形成された接合層１２１などの構成を示している。また、サブマウント基板１２２の下には、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなる下部密着金属層２０７が形成されている。
サブマウント基板１２２の上には、サブマウント基板１２２側から順に、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなる上部密着金属層２０６と、Ｐｔからなるサブマウントバリア層２０５と、ＡｕＳｎからなる接合層１２１とが形成される。
この状態で、ＡｕＳｎからなる接合層１２１の溶融温度である３００℃の高温状態とし、半導体レーザ素子１１に荷重をかけて半導体レーザ素子１１とサブマウント基板１２２とを密着させる。このように半導体レーザ素子１１をサブマウント基板１２２に実装する。
実装後の状態では、Ａｕからなる第２パッド電極２０３は、ＡｕＳｎからなる接合層１２１と化学反応を起こし、実質的に第２パッド電極２０３全体がＡｕＳｎ層化している。また、Ｐｔからなる第２バリア層２０２は、Ａｕからなる第１パッド電極２０１とＡｕＳｎからなる接合層１２１とが化学反応を生じさせないようにする障壁として機能し、第１パッド電極２０１は実装後もＡｕの状態で存在している。
このとき、前述のように半導体レーザ素子１１を、ＧａＮ基板１０１側を上にして凹形状となる素子をジャンクションダウンでサブマウント基板に実装した場合、共振器方向中央部が凹形状であるため、実装時にサブマウント基板には、共振器方向中央部近傍に最初に荷重が集中する。このため、共振器方向中央部のＡｕＳｎからなる接合層１２１を形成する材料が、半導体レーザ素子１１の側壁に沿ってはみ出し、側壁を覆う場合が生じやすくなる。この場合、ＡｕＳｎにより第１クラッド層１０３と、第２クラッド層１０９とが短絡するため、半導体レーザ素子１１に通電すると半導体レーザ素子１１のＰＮ接合を介さないリーク電流が発生してしまう。このようなリーク電流が生じると発振しきい電流値及び動作電流値の増大といった課題が生じる。
そこで、このようにＡｕＳｎが半導体レーザ素子１１の側壁を覆うことを抑制するため半導体レーザ素子の構成について図面を用いて説明する。図４３は、実施の形態９に係る半導体レーザ素子１１ａをサブマウント基板１２２にジャンクションダウンで実装する直前の状態を示す模式的な断面図である。図４３には、半導体レーザ素子１１ａの共振器方向に垂直な断面が示されている。
図４３に示すように、実施の形態９に係る半導体レーザ素子１１ａは、パッド電極１１６ａの第２バリア層２０２ａの構成において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１１と相違し、その他の点において一致する。第２バリア層２０２ａの短辺方向の幅は、第１バリア層１１５の短辺方向の幅より狭い。つまり、第２バリア層２０２ａは、第１バリア層１１５より、共振器方向及び積層方向に垂直な方向の幅が小さい。このような半導体レーザ素子１１ａをサブマウント基板１２２に、ジャンクションダウンで実装を行った場合に形成される半導体レーザ装置の構造について図面を用いて説明する。
図４４は、実施の形態９に係る半導体レーザ装置５９の構造を示す模式的な断面図である。図４４においては、半導体レーザ装置５９の共振器方向と垂直な断面が示されている。
図４４に示す半導体レーザ装置５９は、半導体レーザ素子１１ａとサブマウント基板１２２とを備える窒化物系発光装置の一例である。半導体レーザ装置５９において、半導体レーザ素子１１ａは、多層構造とサブマウント基板１２２とが対向するようにサブマウント基板１２２に実装されている。
図４４に示すようにＡｕＳｎからなる接合層１２１と、第２バリア層２０２ａに覆われていない領域の第１パッド電極２０１とが化学反応を起こし、第１パッド電極２０１の一部がＡｕＳｎ化し、ＡｕＳｎはレーザ素子の中心（つまり、図４４の水平方向の中心）に向かって広がる。この結果、接合層１２１と、第１パッド電極２０１との接合部の接合層表面は、第１パッド電極２０１外縁部において中心側に湾曲して入りこんでいる形状となる。つまり、接合層１２１は、第２バリア層２０２ａと第１バリア層との間であって、第２バリア層２０２ａの端部より内側に入りこんでいる。さらに言い換えると、接合層１２１の一部は、第２バリア層２０２ａと第１バリア層１１５との間であって、第２バリア層２０２ａの端部より内側に配置される。
このため、接合層１２１が、半導体レーザ素子１１ａの側壁に広がることが抑制され、側壁における短絡によるリーク電流の発生を抑制することが可能となる。
また、半導体レーザ素子の電極の構成は、図４３などに示される構成に限定されない。以下、半導体レーザ素子の電極の構成の変形例について図面を用いて説明する。図４５Ａは、実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子１１ｂの構成を示す模式的な断面図である。図４５Ａに示すように、本変形例に係る半導体レーザ素子１１ｂは、電極におけるＰ側第１密着層１１４ａの構成において、半導体レーザ素子１１ａと相違し、その他の点において一致する。図４５Ａに示すように、ＴｉからなるＰ側第１密着層１１４ａは、リッジ上部には形成されていない。このような構成により、半導体レーザ素子１１ｂの抵抗を小さくすることが可能となり、さらに低電圧動作の半導体レーザ素子を得ることができる。
また、実施の形態９に係る半導体レーザ装置５９においては、パッド電極１１６膜厚０．６μｍのＡｕからなる第１パッド電極２０１、及び、膜厚３５ｎｍのＰｔからなる第２バリア層２０２ａ、膜厚１．０μｍのＡｕからなる第２パッド電極２０３との合計厚は約１．６μｍとし、ＡｕＳｎからなる接合層１２１の厚さを１．６μｍとしている。これらの合計厚が厚くなりすぎると、サブマウント基板１２２と半導体レーザ素子１１ａとの距離が大きくなるため、サブマウント基板１２２が、窒化物系発光素子、及び、Ａｕなどの金属材料と比較して熱膨張係数が小さいことに起因するピエゾ電位の形成が抑制される。また、当該合計厚が薄くなりすぎると、半導体レーザ素子１１ａとサブマウント基板１２２との接着強度が弱まってしまう。このため、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２ａ及び第２パッド電極２０３と、接合層１２１との合計厚は３μｍ以上５μｍ以下としてもよい。さらに、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２ａ及び第２パッド電極２０３の合計厚と、接合層１２１の厚さとは、ほぼ同等であってもよい。これは、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２ａ及び第２パッド電極２０３と、接合層１２１との合計厚を３μｍ以上５μｍ以下とした場合、接合層１２１が厚くなりすぎると、実装時に半導体レーザ素子１１ａの側壁部への接合層材料のはみ出しが生じやすくなり、逆に接合層１２１が薄いと接着強度が低下するためである。このため、実施の形態９では、接合層１２１の厚さは１．６μｍとしている。
このように、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２ａ及び第２パッド電極２０３の合計厚、並びに、接合層１２１の厚さは、共に１．５μｍ以上、２．５μｍ以下としてもよい。これにより、接着強度の低下抑制、接合層の素子側壁へのはみ出し抑制、ダイヤモンドサブマウント基板にジャンクションダウン実装することによる、共振器端面近傍の電流非注入窓領域へ漏れ電流抑制、及び、リッジ外への漏れ電流抑制のためのピエゾ電界の形成を同時に実現することができる。
以上の効果は、これまで説明を行ってきた実施の形態１及び実施の形態９に係る半導体レーザ素子だけでなく、実施の形態２～８に係る半導体レーザ素子においても得ることができる。
また、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板は熱伝導率が高いので、実装時に熱が伝わりやすく接合層材料であるＡｕＳｎからなる半田が短時間で溶けて側壁方向にはみ出し易い。この結果、ＳｉＣ又はＡｌＮで形成されるサブマウント基板を使用した場合と比較して、ＧａＮ基板側を上にして平坦あるいは凸形状の半導体レーザ素子、又は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅが０、若しくは、引っ張り性の半導体レーザ素子であっても、実装時に半導体レーザ素子の側壁に沿って半田がはみ出しやすくなる。この場合、上述のとおり、半田が半導体レーザ素子の側壁を覆い、リーク電流が発生し得る。この課題を解決するためには、実施に形態９に係る半導体レーザ素子１１ａが備える第２バリア層の構成を用いることが有効である。
また、電流ブロック層１１２上には、ＧａＮ基板１０１から量子井戸活性層１０６の方向を上方向とすると、図４５Ａに示すようにＰ側第１密着層１１４ａ、第１パッド電極２０１、第２バリア層２０２ａ及び第２パッド電極２０３からなるＰ側多層電極１１８ａが形成されている。
ここで、Ｐ側多層電極１１８及び１１８ａの形状について図面を用いて説明する。図４５Ｂ～図４５Ｄは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＰ側多層電極１１８の基板法線方向視における形状の例を示す模式的な平面図である。なお、図４５Ｂ～図４５ＤにはＰ側多層電極１１８が示されているが、Ｐ側多層電極１１８ａも同様の形状を有する。
図４５Ｂに示すように、Ｐ側多層電極１１８が長方形である場合、Ｐ側多層電極１１８の隅部Ｒａ～隅部Ｒｄには応力が集中しやすく、電極はがれの起点と成りやすい。Ｐ側多層電極１１８の各隅部がはがれると、電流の均一注入が阻害されるのみならず、放熱性の低下を招くため、半導体レーザ装置の動作特性及び信頼性の低下を招いてしまう。
そこで、電極はがれの発生を抑制するために、図４５Ｃ及び図４５Ｄに示すＰ側多層電極１１８は、長方形の四つの角部を欠いた形状を有する。言い換えると、Ｐ側多層電極１１８の隅部Ｒａ～隅部Ｒｄにおいて、Ｐ側多層電極１１８の外周は、Ｐ側多層電極１１８の共振器に平行な辺の延長線と、共振器端面に平行な辺の延長線との交点よりも内側に位置するように形成されている。本実施の形態においては、Ｐ側多層電極１１８の共振器方向に平行な辺とその延長線（長辺）と、共振器端面に平行な辺とその延長線（短辺）とで形成される長方形の頂点から、長辺方向及び短辺方向の各々に１０μｍ以上３０μｍ以下程度の距離において、電極が形成されない隅部Ｒｅ～隅部Ｒｈが設けられている。
この結果、Ｐ側多層電極１１８で応力が集中する領域の形成が抑制され、電極はがれの発生を抑制することができる。図４５Ｃ及び図４５Ｄに示すＰ側多層電極１１８では、上記長方形の頂点から、共振器方向及び半導体レーザ素子の幅方向にそれぞれ２０μｍの距離において電極が形成されていない。言い換えると、Ｐ側多層電極１１８は、長方形状の電極から、四つの隅部Ｒｅ～隅部Ｒｈにおいて、三角形状の領域が切り欠かれたような形状を有する。
共振器端面側のＰ側多層電極１１８端の位置は、図４５Ｃに示すように共振器端面と同一であってもよいが、共振器形成時のへき開精度との関係から、図４５Ｄのように、共振器端面と離間する位置となるように配置してもよい。言い換えると、Ｐ側多層電極１１８端と、共振器端面との間には間隙を形成してもよい。
この間隙があまりに小さいとＰ側多層電極１１８の影響を受けずにへき開することが、へき開工程の加工精度上困難となる。へき開位置に、Ｐ側多層電極１１８端の一部が含まれ得る。この場合、Ｐ側多層電極１１８端がへき開の方向に影響を与え得る。つまり、へき開方向が、へき開工程の途中で、所望の方向からずれてしまう場合が発生することとなる。逆に、上記間隙があまりに大きいと共振器端面近傍領域での放熱性が低下するため、共振器端面とＰ側多層電極１１８端との間には１μｍ以上２０μｍ以下程度の間隙を形成するとよい。図４５Ｄに示す例では、１０μｍの間隙を形成している。
また、Ｎ側電極１１７を基板法線方向から見た形状に対しても、Ｐ側多層電極１１８と同様のことが言える。図４５Ｅ～図４５Ｇは、実施の形態１、実施の形態９、又は実施の形態９の変形例に係る半導体レーザ素子のＮ側電極１１７の基板法線方向視における形状の例を示す模式的な平面図である。
図４５Ｅに示すように、Ｎ側電極１１７の形状を長方形とした場合、隅部Ｒａ～隅部Ｒｄには応力が集中しやすく、電極はがれの起点と成りやすい。Ｎ側電極１１７の各隅部がはがれると、電流の均一注入が阻害されるのみならず、放熱性の低下を招くため、半導体レーザ装置の動作特性及び信頼性の低下を招いてしまう。
そこで、電極はがれの発生を抑制するために、図４５Ｆ、図４５Ｇに示すＮ側電極１１７は、長方形の四つの角部を欠いた形状を有する。言い換えると、Ｎ側電極１１７の隅部Ｒａ～隅部Ｒｄにおいて、Ｎ側電極１１７の外周は、Ｎ側電極１１７の共振器に平行な辺の延長線と、共振器端面に平行な辺の延長線との交点よりも内側に位置するように形成されている。本実施の形態においては、Ｎ側電極１１７の共振器方向に平行な辺とその延長線（長辺）と、共振器端面に平行な辺とその延長線（短辺）とで形成される長方形の頂点から、長辺方向、短辺方向の各々に１０μｍ以上３０μｍ以下程度の距離において、電極が形成されない隅部Ｒｅ～隅部Ｒｈが設けられている。図４５Ｆ及び図４５Ｇに示すＮ側電極１１７では、上記長方形の頂点から共振器方向及び半導体レーザ素子の幅方向にそれぞれ２０μｍの距離において電極が形成されていない。言い換えると、Ｎ側電極１１７は、長方形状の電極から、四つの隅部Ｒｅ～隅部Ｒｈにおいて、三角形状の領域が切り欠かれたような形状を有する。
この結果、Ｎ側電極１１７で応力が集中する領域の形成が抑制され、電極はがれの発生を抑制することができる。
共振器端面でのＮ側電極１１７端の位置は、図４５Ｆに示すように共振器端面と同一であってもよいが、共振器形成時のへき開精度との関係から、図４５Ｇのように、共振器端面と離間する位置となるように配置してもよい。言い換えると、Ｎ側電極１１７端と、共振器端面との間には間隙を形成してもよい。
この間隙があまりに小さいとＮ側電極１１７の影響を受けずにへき開することが、へき開工程の加工精度上困難となる。へき開位置に、Ｎ側電極１１７端の一部が含まれ得る。この場合、Ｎ側電極１１７端がへき開の方向に影響を与え得る。つまり、へき開方向が、へき開工程の途中で、所望の方向からずれてしまう場合が発生することとなる。逆に、上記間隙があまりに大きいと共振器端面近傍領域での放熱性が低下するため、共振器端面とＮ側電極１１７端との間には１μｍ以上２０μｍ以下程度の間隙を形成するとよい。図４５Ｇに示す例では、１０μｍの間隙を形成している。
また、図４５Ｆ及び図４５Ｇに示す構造では、Ｎ側電極１１７は、半導体レーザ素子の幅方向に対しても、半導体レーザ素子端部よりも内側の領域に形成している。これは、半導体レーザ装置を共振器方向に分離する素子分離工程において、分離を容易にするためである。この場合、半導体レーザ素子の幅方向の、Ｎ側電極１１７と半導体レーザ素子端部との間隔は１μｍ以上２０μｍ以下であればよい。図４５Ｆ及び図４５Ｇに示す例では、１０μｍの間隙を形成している。
また、ジャンクションダウンで実装する場合、Ｐ側多層電極１１８には、サブマウント材料との熱膨張係数の差による熱残留応力が付加される。このため、Ｐ側多層電極１１８の実装時の応力に起因する電極はがれの発生を防止するためには、図４５Ｃ及び図４５Ｄに示すような、応力が集中しやすい電極の角部を欠いた形状の電極パターンとすることは有効である。
（実施の形態１０）
実施の形態１０に係る半導体レーザ装置について説明する。
まず、上述のダイヤモンドで形成されたサブマウント基板の形状について説明する。サブマウント基板はそれ自身が硬いために、ダイヤモンドのウェハを割って分離することが困難である。このため、サブマウント基板を形成するためには、ウェハ状に形成されたダイヤモンドにレーザ光を照射することで溶融させる必要がある。この場合、比較的強いレーザ光をウェハの上面から照射し、ウェハの下面付近までレーザ光で溶融させてしまうと、ウェハを割りやすくなる。しかしながら、ウェハの溶融された部分は導電性のカーボンに変質するため、溶融された部分をサブマウント基板の側壁に用いると、サブマウント基板の絶縁性を保てなくなる。したがって、ウェハにレーザ光を照射して溶融させる場合、その膜厚の半分程度の深さまで溶融させる。これにより、ウェハの分割面のうち、カーボン化された部分を、膜厚の半分程度に抑制できる。
レーザ光をウェハに照射する場合、レーザ光の強度はレーザ光の中心部分の方が強いため、ウェハのうち、レーザ光の中心部分が照射される部分は、深く溶融され、レーザ光の外縁付近が照射される部分は、浅く溶融される。したがって、上述のような方法で形成されたサブマウント基板の側壁は、厚さ方向の半分程度の深さまで傾斜している。
以上のように、サブマウント基板を形成することにより、ウェハ状態からのサブマウント基板の分離性と、サブマウント基板の絶縁性とを両立させることが可能となる。以下、サブマウント基板の形状などについて図面を用いて説明する。
図４６は、実施の形態１０に係るサブマウント基板１２２の形状を示す斜視図である。図４６に示すように、実施の形態１０に係るサブマウント基板１２２の形状は、図４６に示すように直方体ではなく、側壁（主面以外の面）において、厚さＨ１の傾斜部と厚さＨ２の垂直部とを有する。側壁の傾斜部は、サブマウント基板１２２の主面の法線に対して角度θだけ傾斜した面で構成される部分であり、側壁の垂直部は、当該法線に平行な面で形成された部分である。
傾斜部の厚さＨ１は、サブマウント基板の厚さの半分程度であってよく、例えば、サブマウント基板全体の厚さの半分から±５０μｍの範囲であればよい。
また、側壁の傾斜角度θは８°を中心に、２．５°以上１５°以下の範囲としてもよい。傾斜角度θは、大きすぎると、サブマウント基板１２２の放熱経路が小さくなりすぎ、逆に傾斜角度θが小さすぎると、後述するように、側壁の傾斜部に電極を形成することが困難となるためである。
続いて、サブマウント基板１２２に形成される電極について図面を用いて説明する。図４７は、実施の形態１０に係るサブマウント基板１２２に形成される電極の構造を示す図である。図４７には、電極が形成されたサブマウント基板１２２の断面図（ａ）及び（ｃ）並びに上面図（ｂ）が示されている。断面図（ａ）及び（ｃ）は、それぞれ上面図（ｂ）に示されるＡ－Ａ断面及びＣ－Ｃ断面を示している。
図４７の断面図（ｃ）に示すように、サブマウント基板１２２の上面には、側壁の傾斜部を覆うように上部密着金属層２０６、サブマウントバリア層２０５及び接合層１２１が形成されている。また、図４７の上面図（ｂ）に示すように、上部密着金属層２０６よりも内側の領域にサブマウントバリア層２０５が形成され、さらにその若干内側に接合層１２１が形成されている。このようにパターン化することで半導体レーザ素子の実装時に、実装位置の認識を行うことができる。また、接合層１２１がサブマウントバリア層２０５外へ大きく広がることを抑制することができる。
また、ジャンクションダウンで実装した場合、サブマウント基板から前端面側にはみ出たＡｕＳｎなどの接合層材料により、半導体レーザ素子における前端面(共振器の出射側端面）からの出射光の出射パターンが乱れ得る。このようなレーザ光の出射パターンの乱れを抑制するためには、半導体レーザ素子の前端面がサブマウント基板の端部から突き出た状態で半導体レーザ素子を実装することが有効である。
図４７の断面図（ｃ）に示すようにサブマウント基板１２２の傾斜部にも上部密着金属層２０６及び接合層１２１を形成することで、レーザの前端面をサブマウント基板の端部から突き出した状態で実装した場合に、突き出した部分のパッド電極を覆うように接合層１２１を固着形成することができる。これにより、突き出した部分の放熱性を高めることが可能となる。以下、このような実装形態について図面を用いて説明する。
図４８Ａは、傾斜部に接合層１２１が形成されていないサブマウント基板１２２に半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置６０ａの構造を示す模式的な断面図である。図４８Ｂは、傾斜部に接合層１２１が形成されたサブマウント基板１２２に半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置６０ｂの構造を示す模式的な断面図である。なお、図４８Ａ及び図４８Ｂには、半導体レーザ装置の共振器方向及び多層構造の積層方向に平行な断面が示されている。
図４８Ａに示すように、サブマウント基板１２２の側壁にサブマウントバリア層２０５、上部密着金属層２０６及び、接合層１２１を形成しない場合には、パッド電極１１６のうち前端面側（図４８Ａの左側）の突き出た部分は、接合層１２１によって覆われない。
一方、図４８Ｂに示すように、サブマウント基板１２２の側壁にサブマウントバリア層２０５、上部密着金属層２０６及び、接合層１２１を形成することで、パッド電極１１６のうち前端面側（図４８Ｂの左側）の突き出た部分を覆うように接合層１２１を固着させることができる。これにより、半導体レーザ素子の前端面部の放熱性を高めることができる。半導体レーザ素子の前端面部は光密度が非常に高く、発熱が最も起こりやすいため、図４８Ｂに示すように接合層１２１をパッド電極１１６に固着させることはＣＯＤレベルの低下防止に非常に効果がある。
特に、この効果は、共振器端面近傍に電流非注入窓領域を形成した場合に、ＣＯＤレベルの低下防止により一層の効果を得ることができる。以下、この電流非注入窓領域を備える半導体レーザ素子について図面を用いて説明する。
図４９Ａは、傾斜部に接合層１２１が形成されていないサブマウント基板１２２に、電流非注入窓領域２１０が形成された半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置６０ｃの構造を示す模式的な断面図である。図４９Ｂは、傾斜部に接合層１２１が形成されたサブマウント基板１２２に、電流非注入窓領域２１０が形成された半導体レーザ素子を実装した半導体レーザ装置６０ｃの構造を示す模式的な断面図である。
電流非注入窓領域２１０は、半導体レーザ素子の共振器端面近傍のコンタクト層上に、電流を非注入にするためのＳｉＯ２からなる絶縁膜が形成された領域である。このような電流非注入窓領域２１０を有することで、半導体レーザ素子の端面近傍の量子井戸活性層１０６での動作キャリア密度を低減し、オージェ非発光再結合による発熱を抑制している。この状態において、図４９Ｂに示す半導体レーザ装置６０ｄのように、半導体レーザ素子のパッド電極１１６の前端面側（図４９Ｂの左側）の突き出た部分を覆うように接合層を固着させることで、電流非注入窓領域２１０での放熱性をさらに高めることができる。このため半導体レーザ装置６０ｄのＣＯＤレベルの低下を抑制できる。
また、ＧａＮ基板１０１側を上にして平坦又は凸形状の半導体レーザ装置、又は、多層構造全体の平均歪みεｔａｖｅが０、若しくは、引っ張り性のレーザ装置であっても、実施に形態１０に示した構成を用いることで、半導体レーザ装置の前端面部の放熱性を高めることができる。この結果、半導体レーザ装置のＣＯＤレベルの低下を抑制できる。
（実施の形態１１）
実施の形態１１に係る光モジュールについて説明する。
以上で述べた本開示に係る半導体レーザ素子は、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板上に実装されることにより、電流非注入窓領域への漏れ電流抑制効果を奏し、さらに、リッジ型レーザの場合は、リッジ外への電流のもれを抑制する効果を奏する。また、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板の熱膨張係数が窒化物材料及びＡｕなどの金属材料より小さいことから、図４、図２１Ｃ及び図２３Ｃに示すように、１５０℃の高温よりも２５℃の室温の環境で用いた方が、これらの効果は高まることを示した。
したがって、半導体レーザ素子を室温状態に近い環境条件で使用すれば、半導体レーザ素子の劣化の抑制効果及び動作電流値の抑制効果を、ＳｉＣ又はＡｌＮなどで形成されたサブマウント基板上に実装した半導体レーザ素子よりも高めることが可能となる。
以下、本開示に係る半導体レーザ素子の効果を高めることができる実施の形態について図面を用いて説明する。
図５０は、実施の形態１１に係る光モジュール２４０の一例の構造を示す図である。図５０には、実施の形態１１に係る光モジュール２４０の背面図（ａ）、正面図（ｂ）及び断面図（ｃ）が示されている。背面図（ａ）は、光モジュール２４０の光出射側の裏側の外観を示している。正面図（ｂ）は、光モジュール２４０の光出射側の外観を示している。断面図（ｃ）は、光モジュール２４０の光軸を通る断面を示している。
光モジュール２４０は、上記各実施の形態に係る半導体レーザ素子及びサブマウント基板を実装したＣＡＮパッケージ２２１と、水冷機構を内蔵した金属基台２２０とを備える。
金属基台２２０には、金属基台２２０を冷却するための冷媒を循環させるための管２２４が内蔵されている。この構成により、金属基台２２０を、室温環境下と同等、ないしは、近い状態の温度に保つことが可能となる。この結果、半導体レーザ装置を室温状態に近い環境条件で動作させることが可能となり、半導体レーザ素子の劣化の抑制効果及び動作電流値の抑制効果を、ＳｉＣ又はＡｌＮなどで形成されたサブマウント基板上に実装した半導体レーザ素子よりも高めることが可能となる。
（実施の形態１２）
実施の形態１２に係る光モジュールについて説明する。実施の形態１２に係る光モジュールは、光ファイバーを備える点において、実施の形態１１に係る光モジュール２４０と相違し、その他の点において一致する。以下、実施の形態１２に係る光モジュールについて図面を用いて説明する。
図５１は、実施の形態１２に係る光モジュールの一例の構造を示す断面図である。図５１においては、実施の形態１２に係る光モジュールの光軸を通る断面が示されている。
実施の形態１２に係る光モジュールは、実施の形態１１に係る光モジュール２４０にさらに光ファイバー２２６が集積化されている。この構成とすることで、半導体レーザ素子を実施の形態１１と同様に室温に近い環境で動作させつつ、ワット級の４５０ｎｍ帯青色レーザ光を、そのレーザ光が必要とされる位置まで、容易に伝達させることが可能となる。実施の形態１２に係る光モジュールは、例えば加工用レーザ光源として使用することが可能となる。
また、光ファイバー２２６の出射部近傍に、例えば、黄色光を発生する蛍光体、あるいは、赤色、緑色を発光する蛍光体を配置することにより、白色光源を実現することが可能となる。
（実施の形態１３）
実施の形態１３に係る光源について説明する。実施の形態１３に係る光源は、半導体レーザ素子から出射される青色レーザ光を白色光に変換して出射する光源である。以下、実施の形態１３に係る光源について、図面を用いて説明する。
図５２は、実施の形態１３に係る光源２５０の構成の一例を示す断面図である。
図５２に示すように、実施の形態１３に係る光源２５０は、実施の形態１１に係る光モジュール２４０のＣＡＮパッケージ２２１及び金属基台２２０を備える。光源２５０は、さらに、レンズ２２７と、反射ミラー２２８と、台座２２９と、蛍光体２３０とを備える。光源２５０では、これらの構成要素が集積化されている。この構成とすることで、光源２５０の半導体レーザ素子を室温に近い環境で動作させ、かつ、ワット級の４５０ｎｍ帯青色レーザ光をレンズ２２７によって、蛍光体２３０に集光することが可能となる。
この構成において、４５０ｎｍ帯の青色レーザ光を蛍光体に照射することで蛍光体を励起することができる。したがって、蛍光体によって黄色光、又は、赤色光及び緑色光を発生させることで、全体として白色光を出射する光源として使用することが可能となる。
この場合、ダイヤモンドで形成されたサブマウント基板にジャンクションダウンで実装した半導体レーザ素子を使用していることによる劣化抑制効果のみならず、蛍光体も室温に近い環境温度で使用されるため発熱による蛍光体の劣化を抑制することが可能となる。したがって、長期信頼性に優れた、白色光源を実現することが可能となる。
以上、本開示に係る窒化物系発光装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記の各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
各実施の形態では、半導体レーザ素子を作製する基板として、基板の主面が（０００１）Ｃ面、半極性面及び無極性面である例を示したが、基板の主面が（０００１）Ｃ面から傾いたオフ基板であってもよい。オフ基板を使用することで、量子井戸活性層に生じるＣ軸方向のピエゾ効果を低減することができるため、動作電圧を低減することができる。
本開示の窒化物系発光装置は、例えば、８５℃の環境下で、３ワット以上の超高出力動作時においても、優れた温度特性及び長期信頼性を有する車載ヘッドライト用光源として利用可能である。
１１、１１ａ、１１ｂ、１２、１２ａ、１３、１４、１５、１６、１７、１７ａ、１８、１８ａ 半導体レーザ素子
５１ａ、５１ｂ、５９、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 半導体レーザ装置
１０１、１４０、１４１、４０１ ＧａＮ基板
１０２ バッファ層
１０２ａ ＩｎＧａＮ層
１０２ｂ ＡｌＧａＮ層
１０３、１６３ 第１クラッド層
１０４ Ｎ型ＧａＮ層
１０５ 第１光ガイド層
１０６、１６６ 量子井戸活性層
１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｅ バリア層
１０６ｂ、１０６ｄ 量子井戸層
１０７ 第２光ガイド層
１０８、１６８ 電子障壁層
１０９、１６９ 第２クラッド層
１１０ コンタクト層
１１２ 電流ブロック層
１１３ Ｐ側オーミック電極
１１４、１１４ａ Ｐ側第１密着層
１１５ 第１バリア層
１１６、１１６ａ パッド電極
１１７ Ｎ側電極
１１８、１１８ａ Ｐ側多層電極
１２１ 接合層
１２２、３１１、４１０ サブマウント基板
１３０ 第３光ガイド層
１３１ 第３クラッド層
２０１ 第１パッド電極
２０２、２０２ａ 第２バリア層
２０３ 第２パッド電極
２０５ サブマウントバリア層
２０６ 上部密着金属層
２０７ 下部密着金属層
２１０ 電流非注入窓領域
２２０ 金属基台
２２１ ＣＡＮパッケージ
２２４ 管
２２６ 光ファイバー
２２７ レンズ
２２８ 反射ミラー
２２９ 台座
２３０ 蛍光体
２４０ 光モジュール
２５０ 光源
３００、４００ 半導体発光装置
３１０ 窒化物発光素子
４０２ 発光素子

Claims (7)

  1. ＧａＮ基板の上に配置される多層構造を有する窒化物系半導体発光素子と、
    前記窒化物系半導体発光素子が実装されるサブマウント基板と、
    前記窒化物系半導体発光素子と、前記サブマウント基板とを接合する接合層とを備え、
    前記多層構造は、前記ＧａＮ基板側から順に積層された第１導電型の第１クラッド層と、第１光ガイド層と、量子井戸活性層と、第２光ガイド層と、第２導電型の第２クラッド層とを有し、
    前記多層構造は、前記ＧａＮ基板に対して５．２×１０－４以下の引っ張り性、又は、圧縮性の平均歪みを有し、
    前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板とが対向するように前記サブマウント基板に実装されており、
    前記窒化物系半導体発光素子は、前記多層構造と前記サブマウント基板との間に配置される電極を有し、
    前記窒化物系半導体発光素子の出射側端面は、前記サブマウント基板の側壁から突き出た状態で、前記サブマウント基板に実装されており、
    前記サブマウント基板は、平坦であって、かつ、ダイヤモンドで形成されており、
    前記第１光ガイド層及び前記第２光ガイド層の少なくとも一方はＩｎを含み、
    前記サブマウント基板の前記側壁は、前記サブマウント基板の主面の法線方向に対して傾斜している傾斜部を有する
    窒化物系発光装置。
  2. 前記窒化物系半導体発光素子は、共振器を備え、
    前記共振器の端面近傍に電流非注入窓領域を有する
    請求項１記載の窒化物系発光装置。
  3. 前記共振器の長さは、６００μｍ以上である
    請求項２記載の窒化物系発光装置。
  4. 前記第２クラッド層には、リッジが形成されている
    請求項１～３のいずれか１項記載の窒化物系発光装置。
  5. 前記ＧａＮ基板の厚さは７５μｍ以上、９５μｍ以下である
    請求項１～４のいずれか１項記載の窒化物系発光装置。
  6. 前記第１クラッド層は、Ａｌ組成が０．０５以下のＡｌＧａＮからなり、
    前記第２クラッド層は、Ａｌ組成が０．０５以下のＡｌＧａＮからなる
    請求項１～５のいずれか１項記載の窒化物系発光装置。
  7. 前記接合層は、前記電極のうち、前記サブマウント基板の前記側壁から突き出た部分を覆うように固着形成されている
    請求項１～６のいずれか１項記載の窒化物系発光装置。
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