JPWO2009057254A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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真生 川口
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Abstract

半導体レーザ装置は、基板（１）の主面上に形成され、III族窒化物半導体よりなるＭＱＷ活性層（５）を含む積層構造体を有している。積層構造体はその主面に形成されたストライプ状の導波路を有し、導波路の互いに対向する端面同士の一方が光出射端面である。凹部（２）の周囲には、ＭＱＷ活性層（５）における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つＭＱＷ活性層（５）における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されている。導波路は、第１の領域及び第２の領域を含む一方、段差領域を含まないように形成され、光出射端面は第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域（５ａ）に形成されている。

Description

本発明は、III族窒化物半導体、すなわち窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置は、小型、安価及び高出力等の優れた特徴を有することから、通信用途や光ディスク用途等の情報通信技術（ＩＴ技術）の他に、医療分野や照明分野等の、幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、ブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）ディスク等に用いられる、波長が４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が進展している。また、レーザディスプレイや液晶表示装置のバックライト用光源に用いられる、波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ光を出力可能なＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が進められている。
これらのＧａＮ系半導体レーザ装置は、光ディスク用途では高速且つ多層記録のための高出力化が求められ、また、ディスプレイ用途及びバックライト用途では高輝度化のための高出力化が求められている。半導体レーザ装置を高出力化するには、レーザ光を生成する共振器における光出射端面がレーザ光により劣化する端面劣化と呼ばれる劣化モードを抑制することがことのほか重要となる。
以下、端面劣化について説明する。
半導体レーザ装置における共振器端面、特に光出射端面を構成する原子と、該共振器端面上に成膜されるコーティング材を構成する原子又はレーザ装置の雰囲気として存在する原子とが化学反応を起こすことにより、光出射端面にレーザ光の吸収の原因となる結晶の不完全性が増大する。光出射端面において結晶の不完全性が増大すると、光吸収が増大し、吸収された光の多くは熱となって該端面の温度を上昇させる。温度上昇は半導体のバンドギャップの収縮を招き、そのために光吸収がさらに増大し、温度が上昇するという正帰還が生じる。この正帰還の結果、やがて端面の結晶が溶解する、カタストロフィックオプティカルダメージ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ：ＣＯＤ）と呼ばれる不具合が生じる。
従来、端面劣化を克服するために、ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置においては、端面窓構造が採用されている。端面窓構造とは、活性層における光出射端面の近傍の禁制帯幅を共振器の他の領域の禁制帯幅よりも大きくする構造をいう。このため、光出射端面の近傍における光吸収量が小さくなって、該光出射端面における発熱量が小さくなるので、端面劣化を抑制することができる。
従来のＧａＡｓ系半導体レーザ装置において、端面窓構造の形成に、イオン注入又は不純物拡散を用いた活性層の無秩序化技術が用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。
例えば、イオン注入法では、活性層及びその近傍にイオンを注入し、その後、熱処理を行う。注入したイオン及び注入に伴う欠陥の熱拡散により、禁制帯幅が小さい活性層を構成する半導体材料が、その周辺の禁制帯幅が大きい領域の半導体材料と混ざり合って無秩序化する。その結果、活性層の禁制帯幅が注入前と比べて大きくなるので、レーザ光の吸収量が小さくなる。また、不純物拡散法の場合は、端面窓部の上側に設けた拡散定数が大きい金属不純物等を熱拡散させる。熱拡散した不純物が活性層を無秩序化して、該活性層の禁制帯幅が大きくなって、光吸収が小さくなる。
特開昭６３−１６４２８８号公報 特開昭６３−１９６０８８号広報
しかしながら、ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、ＧａＮ結晶の結合が強いことから、注入イオン又は不純物の拡散定数が小さく、イオン注入法又は不純物拡散法による端面窓構造の形成が困難であるという問題がある。このため、ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、端面窓構造を有するレーザ構造が未だ実用化されていない。
本発明は、前記従来の問題を解決し、ＧａＮ系半導体からなる半導体レーザ装置にイオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を実現して、端面劣化を防止できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ装置を、レーザ構造を含むIII族窒化物半導体よりなる積層構造体の一部であって、少なくとも光出射端面の近傍で且つ導波路の側方に段差領域を設ける構成とする。
本願発明者らは、種々の検討を行った結果、基板の一部に段差領域を設けた後にレーザ構造を含むＧａＮ系半導体を成長すると、活性層における段差領域の近傍領域の禁制帯幅が、段差領域から離れた領域の禁制帯幅とは異なるという知見を得ている。この禁制帯幅が大きい領域にレーザ装置の光出射端面を設けることにより、光出射端面における禁制帯幅が大きい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を形成することができる。
本発明は、この知見により得られたものであり、具体的には以下の構成により実現される。
本発明に係る半導体レーザ装置は、それぞれがIII族窒化物半導体よりなり、活性層を含むと共に段差領域が選択的に形成された積層構造体を備え、積層構造体は、該積層構造体の主面に平行な面内に延びるストライプ状の導波路を有し、導波路における互いに対向する端面同士の少なくとも一方が光出射端面であり、段差領域の周囲には、活性層における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つ活性層における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されており、導波路は、第１の領域及び第２の領域を含む一方、段差領域を含まないように形成され、光出射端面は、第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域に形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体レーザ装置によると、段差領域が形成された積層構造体における段差領域の周囲には、活性層における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つ活性層における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されており、導波路は第１の領域及び第２の領域を含む一方、段差領域を含まないように形成され、光出射端面は第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域に形成されている。これにより、光出射端面におけるレーザ光の光吸収が小さい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を実現することができる。
本発明の半導体レーザ装置は、積層構造体が結晶成長する基板をさらに備え、段差領域は、基板の主面に形成された凹部又は突起部により形成されていることが好ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、第１の領域の禁制帯幅Ｅｇ１は、第２の領域のＥｇ２よりも大きいことが好ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、積層構造体の主面における結晶面に対する第１の領域の傾斜角度は、結晶面に対する第２の領域の傾斜角度とは異なることが好ましい。
ＧａＮ系の混晶成長において、成長面のオフ角度が組成に影響することが知られている。例えば、主面の面方位が（０００１）面の窒化ガリウム（ＧａＮ）の上に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）よりなる混晶を成長する場合は、（０００１）面に対するオフ角度が大きくなると、Ｉｎ組成が大きく低下することが知られている。段差領域を設けた基板上にＧａＮ系混晶を成長すると、段差領域の近傍において結晶面に傾斜が生じ、オフ角度が変化する。また、段差領域の高さ及び形状を調整することにより、オフ角度が変化する領域の面積及びオフ角度の大きさを制御することができる。すなわち、オフ角度に応じて、ＧａＮ系混晶の組成比、例えばＩｎＧａＮのＩｎ組成が変わるため、禁制帯幅を制御することができる。このように、段差領域の近傍の第１の領域と該段差領域から離れた第２の領域という、禁制帯幅が異なる２つの領域を形成し、そのうち、光吸収波長が短い領域を端面とするレーザ構造を形成することにより、端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を実現できる。
本発明の半導体レーザ装置において、積層構造体の主面における第１の領域の高さは、第２の領域の高さと異なることが好ましい。
ここで、第１の領域と第２の領域とが連続してつながっていれば、第１の領域の少なくとも一部には第２の領域から見て傾斜した領域、すなわちオフ角度が異なる領域が形成される。オフ角度が異なる領域では、例えばＩｎＧａＮのＩｎ組成が変化することから、禁制帯幅が異なる領域を形成することができる。禁制帯幅が異なる領域のうち、禁制帯幅が大きい領域、すなわち光吸収波長が短い領域に光出射端面を形成することにより、端面窓構造を有するＧａＮ系レーザ装置を形成することができる。
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は、その組成にインジウム（Ｉｎ）を含むことが好ましい。
ＧａＮ系半導体にインジウム（Ｉｎ）を添加することにより、禁制帯幅が小さくなる。すなわち、ＩｎＧａＮをレーザ活性層に用いることにより、レーザ光の発振波長の長波長化が可能であり、波長が４０５ｎｍのディスク用青紫色レーザ装置や、波長４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ装置においては、ＩｎＧａＮを活性層材料に用いている。前述したように、Ｉｎを含むＧａＮ系結晶、すなわちＩｎＧａＮ系結晶では、オフ角度によりＩｎ組成を制御できる。本発明をＩｎＧａＮ系半導体レーザ装置に適用することによって、端面窓構造を有するディスク用青紫色レーザ装置のみならず、照明用途又はバックライト用途等に適用可能な純青色レーザ装置等を実現することができる。
本発明の半導体レーザ装置において、段差領域は、導波路に対して一方の側方領域にのみ形成されていることが好ましい。
本願発明者らの検討によると、２つ以上の段差領域が近接して存在すると、段差領域同士の間の領域には禁制帯幅が変化する領域が形成されず、端面窓構造を形成することができない。そこで、２つ以上の段差領域を設ける場合には、段差領域同士を十分に離して形成することが望ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、基板は主面の面方位がｃ面である六方晶系に属するIII族窒化物半導体よりなり、導波路はｃ面に平行な面内に、ｍ面の法線ベクトルに沿って形成されていることが好ましい。
現在、六方晶ＧａＮ系基板のｃ面を主面に用いたＧａＮ系半導体レーザ装置が、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク用途等に幅広く用いられている。このレーザ装置では、ｍ面が結晶の自然劈開面であることから、ストライプ状の導波路がｍ面の法線ベクトルに沿って延びており、ｍ面を劈開して共振器端面を形成している。上記の構成により、現在幅広く用いられているＢｌｕ−ｒａｙディスク用青紫色レーザ装置に端面窓構造を導入することができるため、高速書き込み動作及び高信頼性を実現することができる。
この場合に、導波路は、段差領域の縁から約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の領域に形成されていることが好ましい。
本願発明者らの検討によると、段差領域の縁から約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の離れた領域において、禁制帯幅の変化量が最も大きくなる。この禁制帯幅の変化量が最も大きい領域にストライプ状の導波路を設けることにより、端面窓構造の形成領域とその他の領域との禁制帯幅の差が大きい、すなわち、レーザ光の窓領域における光吸収量が一段と小さい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を形成することができる。
また、段差領域は、導波路に対して、基板の主面に形成された凹部又は突起部と同じ側に形成されていてもよい。
本発明に係る半導体レーザ装置によると、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を形成できるため、端面劣化を防止でき、高出力且つ高信頼性を有するＧａＮ形半導体レーザ装置を実現することができる。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成図であり、図１（ｃ）は右側面図である。 図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置における活性層を成長した後の、段差領域及びその近傍の上面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図２（ｂ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点としたＣＬピークエネルギー（波長）のａ軸方向における位置依存性を示すグラフである。図２（ｃ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点としたＣＬピークエネルギー（波長）のｍ軸方向における位置依存性を示すグラフである。 図３（ａ）は図２（ｂ）の段差領域の近傍を拡大したグラフであり、図３（ｂ）は図２（ｃ）の段差領域の近傍を拡大したグラフである。 図４は本発明の一実施形態に係る他の青紫色半導体レーザ装置を示す平面図である。 図５は本発明の一実施形態に係る紫色半導体レーザ装置の積層構造体における段差領域の近傍の高さを段差計により測定した結果と高さから見積もったオフ角度とを表すグラフである。 図６は図５に示すオフ角度の変化から見積もった活性層の発光エネルギーの計算値と実験値とを表すグラフである。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面構成図であり、図７（ｃ）は右側面図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面構成図であり、図８（ｃ）は右側面図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面構成図であり、図９（ｃ）は右側面図である。
符号の説明
１ 基板
１ａ 凹部（基板）
１ｂ 突起部
２ 凹部（積層構造体）
３ ｎ型クラッド層
４ ｎ側光ガイド層
５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
５ａ 禁制帯幅が大きい領域（光吸収波長が短い領域）
７ ｐ側光ガイド層
８ キャリアオーバフロー抑制層
９ ｐ型クラッド層
１０ ｐ型コンタクト層
１２ 絶縁膜
１３ ｐ側電極
１４ 配線電極
１５ パッド電極
１６ ｎ側電極
２０ 突起部（積層構造体）
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図１（ａ）は平面構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、図１（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、六方晶系のＧａＮ系半導体を用いた出射光の波長が４０５ｎｍの青紫色半導体レーザ装置であり、段差領域を構成する凹部２の近傍に形成された禁制帯幅が大きい領域５ａに光出射端面を有している。
図１（ａ）〜（ｃ）において、六方晶であるＧａＮ系結晶における面方位を、ｃ、ａ及びｍで示す。ｃは面方位が（０００１）面の法線ベクトル、すなわちｃ軸を表し、ａは面方位が（１１−２０）面とその等価な面の法線ベクトル、すなわちａ軸を表し、ｍは面方位が（１−１００）面とその等価な面の法線ベクトル、すなわちｍ軸を表す。ここで、本願明細書においては、面方位におけるミラー指数に付した負符号”−”は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
以下、本実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置の構造及び製造方法について説明する。
まず、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１の主面上に、例えば原料にシラン（ＳｉＨ４）を用いた熱化学気相成長（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：熱ＣＶＤ）法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる第１のマスク膜（図示せず）を成膜する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、第１のマスク膜に隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ幅が３０μｍ×３０μｍの平面方形状の開口部を形成する。
次に、エッチングガスに四フッ化炭素（ＣＦ４）を用いた誘導結合プラズマ(Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ:ＩＣＰ）エッチング装置により、基板１をエッチングすることにより、基板１に第１のマスク膜の開口部を通して深さが約２μｍの凹部１ａを形成する。その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて第１のマスク膜を除去する。
次に、例えば有機金属気層成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、基板１の主面上に凹部１ａを含む全面にわたって、厚さが２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層３を成長し、続いて、ｎ型クラッド層３の上に、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層４を成長する。さらに、ｎ側光ガイド層４の上に、例えばＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層とＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる量子井戸層とを３周期分積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５を成長する。このとき、ＭＱＷ活性層５における凹部１ａの上方から離れた領域の禁制帯幅Ｅｇ２は、凹部１ａの上方の近傍領域の禁制帯幅Ｅｇ１と比べて、Ｅｇ２＜Ｅｇ１となる。このように、本発明によると、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の光出射端面に示すように、凹部１ａによる段差領域によって生じる禁制帯幅が大きい領域５ａにＭＱＷ活性層５の光出射端面を設けることにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく、端面窓構造を実現することができる。なお、ＭＱＷ活性層５に、段差領域により禁制帯幅が大きい領域５ａが形成される現象の詳細は後述する。
次に、ＭＱＷ活性層５の上に、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層７を成長する。続いて、ｐ側光ガイド層７の上に、厚さが１０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層（ＯＦＳ層）８を成長し、ＯＦＳ層８の上に、厚さがそれぞれ１．５ｎｍのｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層とＧａＮ層とを１６０周期分繰り返してなる厚さが０．４８μｍの歪超格子からなるｐ型クラッド層９と、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０とを順次成長する。
ここで、図１（ｃ）に示すように、ＭＱＷ活性層５を含むエピタキシャル層（積層構造体）に形成された凹部２は、基板１に形成された凹部１ａを埋め込むように成長するため、凹部２の形状よりも幅も深さも小さくなることがある。また、積層構造体の成長条件によっては、凹部２は完全に埋め込まれて平坦となることがある。このような場合であっても、基板１に設けた凹部１ａの影響によりＭＱＷ活性層５における凹部１ａの上方の領域５ａの光吸収波長が短くなっていれば、すなわち領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１がＭＱＷ活性層５の他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも大きくなっていれば、端面窓構造として利用可能である。
なお、端面窓構造として利用するために、領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１は他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも５０ｍｅＶ以上大きいことが好ましい。さらに、領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１は他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも１００ｍｅＶ以上、さらには１５０ｍｅＶ以上大きいことが好ましい。但し、Ｅｇ１とＥｇ２との差は、「発光に寄与する活性層（Ｉｎ及びＧａ及びＮを含む）の禁制帯幅（Ｅｇ１）」と「その発光に寄与する活性層にＩｎが存在しないとした場合（ＩｎをすべてＧａに置き換えたとした場合等）の禁制帯幅」との差以下となる。例えば、青紫色レーザ装置（波長：約４０５ｎｍ）の場合は、Ｅｇ１とＥｇ２との差は、約３３０ｍｅＶを超えない。また、緑色レーザ装置（波長：約５４０ｎｍ）の場合は、Ｅｇ１とＥｇ２の差は、約１１００ｍｅＶを超えない。但し、青紫色レーザ装置及び緑色レーザ装置以外の場合は、これに限られない。
また、基板１のａ軸方向の幅が、一例として約２００μｍ以上且つ約４００μｍ以下であってもよく、基板１に設けた凹部１ａのｍ軸方向の一辺の長さは、例えば約５μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約５０μｍ以上且つ約２００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａのａ軸方向の一辺の長さは、例えば約２０μｍ以上且つ約１００μｍ以下が好ましく、約２μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａの深さは、例えば約０．１μｍ以上且つ約１０μｍ以下が好ましく、積層構造体に形成された凹部２としては、例えば約０．０１μｍ以上且つ約１０μｍ以下が好ましい。
積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料としては、例えばＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いればよい。さらに、ｎ型不純物であるＳｉ原料にはシラン（ＳｉＨ４）ガスを用い、ｐ型不純物であるＭｇ原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いればよい。
次に、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１０の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなる第２のマスク膜（図示せず）を成膜する。リソグラフィ法及びエッチング法により、第２のマスク膜を幅が１．５μｍのストライプ状で且つｍ軸方向と平行にパターニングする。
次に、ＩＣＰ法により、第２のマスク膜を用いて積層構造体の上部を０．３５μｍの深さにエッチングして、ｐ型コンタクト層１０及びｐ型クラッド層９の上部から、リッジストライプ部を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層９の上にリッジストライプ部を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜（パッシベーション膜）１２を形成する。
次に、リソグラフィ法により、絶縁膜１２におけるリッジストライプ部の上面に、該リッジストライプ部に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして絶縁膜１２をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層１０を露出する。
次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したｐ型コンタクト層１０の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、金属積層膜のリッジストライプ部を除く領域を除去して、ｐ側電極１３を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜１２の上にリッジストライプ部の上部のｐ側電極１３を覆うように、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が５００μｍで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍの配線電極１４を選択的に形成する。ここで、配線電極１４は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の金属積層膜により形成する。なお、一般に、基板１はウェハ状態であって、複数のレーザ装置は基板１の主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板１から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１４を切断すると、該配線電極１４に密着したｐ側電極１３がｐ型コンタクト層１０から剥がれるおそれがある。そこで、図１（ａ）に示すように、配線電極１４は互いに隣接するチップ同士でつながっていないことが望ましい。さらに、電解めっき法により、配線電極１４の上層のＡｕ層の厚さを１０μｍ程度にまで増やして、パッド電極１５を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、ＭＱＷ活性層５における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体レーザ装置の信頼性を向上することができる。
次に、パッド電極１５まで形成されたウェハ状態の基板１の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、基板１の裏面に、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕからなる金属積層膜によりｎ側電極１６を形成する。
次に、ウェハ状態の基板１を、ｍ軸方向の長さが６００μｍとなるようにｍ面に沿って１次劈開する。但し、この１次劈開時には、基板１に形成された凹部１ａにより、ＭＱＷ活性層５における吸収波長が短波長化された、すなわち禁制帯幅が大きくなった領域５ａを含むように劈開して、端面窓構造を形成する。その後、１次劈開された基板１を、ａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面に沿って２次劈開する。
以下、ＧａＮ系半導体からなり、ＭＱＷ活性層５を含むレーザ構造における光出射端面の近傍に凹部１ａによる段差領域を形成することにより、禁制帯幅が変化する現象を説明する。
図２（ａ）はＭＱＷ活性層５を成長した後の、凹部２による段差領域及びその近傍の上面の走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）像を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点に採り、ａ軸方向にカソードルミネッセンス（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ:ＣＬ）スペクトルをラインスキャンしたときの、ＣＬピークエネルギーを表している（左側の縦軸）。図２（ｃ）は、同様に段差領域の中心位置を原点に採り、ｍ軸方向にＣＬスペクトルをラインスキャンしたときのＣＬピークエネルギーを表している（左側の縦軸）。図２（ｂ）及び図２（ｃ）において、右側の縦軸はＣＬピークエネルギーと対応する光の波長を示している。図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、ａ軸方向及びｍ軸方向で共に段差領域の近傍においてＣＬピークエネルギーが大きくなる領域が存在する。一般に、禁制帯幅が大きいと、発光ピークエネルギーは大きくなる。このとき、光吸収波長は短くなる。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ図２（ｂ）及び図２（ｃ）の段差領域の近傍を拡大して表している。本実施形態においては、一辺が３０μｍ×３０μｍの段差領域（凹部２）の中心を原点に採っているため、図中の横軸の１５μｍの位置が段差領域の縁となる。ａ軸とｍ軸とでは、ＣＬピークエネルギーの変化量の最大値は約９２ｍｅＶと等しいものの、ＣＬピークエネルギーが変化する領域の幅が異なっており、図３（ａ）に示すａ軸方向では約１４μｍであり、図３（ｂ）に示すｍ軸方向では約２μｍである。
また、ａ軸方向においては、段差領域の縁から約５μｍ離れた領域においてＣＬピークエネルギーが最も大きくなっている。そこで、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約５μｍの距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成することが望ましい。六方晶系であるＧａＮ系材料では、ｍ面が自然劈開面である。上記の構成により、段差領域の近傍で且つ短波長化領域を含み且つｍ面が露出するように劈開することにより、光出射端面におけるＣＬピークエネルギーが最も大きい、すなわち光出射端面におけるレーザ光の吸収量が最も少ない構造を得ることが可能となる。なお、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約１μｍ以上且つ約１５μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成してもよい。
また、本実施形態においては、段差領域を生じさせる、基板１に設けた凹部１ａの各辺をａ軸及びｍ軸に平行にし且つ深さを２μｍとしたが、凹部１ａの平面寸法、平面形状及び深さに応じて、積層構造体におけるＣＬピークエネルギーの変化量が最も大きくなる位置が異なる場合がある。例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示したように、本発明に係る実施形態においては、ＣＬピークエネルギーが変化する領域は、凹部１ａの縁から２μｍ以上且つ１４μｍ以下であったが、凹部１ａの形状及び積層構造体の成膜条件によっては、ＣＬピークエネルギーが変化する領域は凹部１ａの縁から１μｍ以上且つ１００μｍ以下となる場合がある。このような場合には、ＣＬピークエネルギーの変化量が最も大きい領域を含むように光導波路を形成し、且つ変化量が最も大きい領域で劈開することにより、光吸収が少ない端面窓構造を形成することができる。例えば、ａ軸方向のＣＬピークエネルギーの変化量が凹部１ａの縁から１００μｍで最大の変化量を示す場合には、図４に示すように、図１（ａ）と比べて凹部２をリッジストライプ部から離して形成する。
また、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は光出射端面を含む面に形成されていてもよい。さらには、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は光出射端面を含む面に形成されていなくても、光出射端面にエネルギー変化領域があれば、その面の近傍に形成されていてもよい。光出射端面を含む面に形成されていない場合は、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は、光出射端面を含む面から０μｍより大きく且つ２０μｍ以下、又は０μｍより大きく且つ２００μｍ以下の位置に形成されていてもよい。
さらに、本願発明者らは、ＣＬピークエネルギーが大きい領域と小さい領域とのＩｎ組成を、Ｘ線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＥＰＭＡ）を用いて調べたところ、ＣＬピークエネルギーが大きい領域ではＩｎ組成が小さく、一方、ＣＬピークエネルギーが小さい領域ではＩｎ組成が大きいことが分かった。Ｉｎ組成が大きい程、ＩｎＧａＮにおける発光ピークエネルギーが小さくなることから、Ｉｎの組成変化が段差領域の近傍におけるＣＬピークエネルギー変化の原因であると考えられる。
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すＣＬスペクトルのラインスキャンを行った領域に沿って、段差計を用いて高さ測定を行ったところ、吸収波長が変化している領域において、積層構造体における段差領域の近傍がわずかに傾斜していることが分かった。図５には左縦軸にａ軸方向の高さの測定結果を示し、右縦軸に高さ変化から読み取ったａ軸方向への傾斜角度（オフ角度）を示す。本願発明者らが行った実験によると、ｃ面上に成長したＩｎＧａＮ系材料において、オフ角度が大きくなると、Ｉｎ組成が低下して、発光ピークエネルギーが小さくなることが分かっている。図６は、オフ角度から計算したＩｎＧａＮからなる活性層の発光エネルギーと、実験から得られたＣＬピークエネルギーとを重ねて表している。図６から分かるように、エネルギー変化領域の位置とエネルギー変化量とが概ね一致しており、積層構造体における段差領域の近傍においてオフ角度が大きくなったことがＩｎ組成の低下につながり、ＣＬピークエネルギーの増加をもたらしたと考えられる。
なお、本実施形態においては、積層構造体に設けた段差領域の近傍における傾斜に起因するＩｎの組成低下により発光ピークエネルギーが大きくなる場合について記載したが、他の要因、例えば段差領域にＩｎ原料が吸い込まれる現象に起因するＩｎ組成の低下、又はＩｎ原料及びＧａ原料が吸い込まれる現象に起因する段差領域の近傍における井戸幅の減少によるＣＬピークエネルギーの増大であっても構わない。
六方晶系であるＧａＮ系化合物半導体においては、ＩｎＧａＮ等の、ＧａＮと格子定数が異なる半導体を積層すると、ピエゾ電界と呼ばれる内部電界が強く生じることが知られている。ピエゾ電界は、半導体のエネルギーバンドを曲げ、結果として、発光ピークエネルギーが小さくなる。一方、レーザ発振のために、レーザ構造にキャリアを注入すると、ピエゾ電界は注入キャリアにより隠蔽されて、発光ピークエネルギーが大きくなる。
ところで、端面出射型の半導体レーザ装置は、光出射端面に流れることにより熱として失われる電流を小さくしたり、劈開時の電極の剥がれを防止するために、光導波路の端面近傍に電極をつけない、端面電流非注入構造を採ることがある。しかしながら、ピエゾ電界を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、非注入領域においては発光ピークエネルギーが小さいため、すなわち光吸収が大きいため、端面電流非注入構造を採用することにより、光出射端面での光吸収が大きくなることがある。また、段差領域の近傍において、結晶成長装置の炉内に存在するＳｉ等の不純物の取り込みが増えることがある。このような不純物は、例えばＧａＮ系半導体のドナーとして機能し、ピエゾ電界を隠蔽するキャリアを生成する。このため、半導体積層体における段差領域の近傍では、電流注入を行わなくても、ピエゾ電界が隠蔽される結果、発光ピークエネルギーが大きくなる。従って、ピエゾ電界を有するＧａＮ系半導体レーザ装置において、段差領域の近傍に端面窓構造を形成することにより、電流非注入構造における端面電流の低減及び電極剥がれの抑制という効果を発揮しながら、光出射端面における光吸収量を増大させることができる。
なお、本実施形態において、光導波路の光出射端面に窓領域を設ける構成について説明したが、光導波路の対向する両方の端面に窓領域を設けてもよい。また、基板１に形成した凹部１ａの平面寸法及び深さは、凹部１ａにより形成される段差領域の近傍に光吸収波長が短い領域が形成され、同領域を端面窓として用いることができれば、本実施形態の寸法及び深さでなくても構わない。
また、レーザ構造を含む積層構造体に設けた段差領域の近傍に光吸収波長が短い領域が形成される例について説明したが、積層構造体の成長条件又は成長用基板が有するオフ角度により、逆に、光吸収波長が長い領域が形成される場合がある。このような場合は、段差領域の影響がない、光吸収波長が相対的に短い領域を端面窓領域とすればよい。
さらに、基板にａ軸方向にオフ角が付いる場合は、ａ軸に対して段差領域の一方側に光吸収波長が長い領域が形成され、且つ他方側に光吸収波長が短い領域が形成されることがある。この場合は、光吸収波長が短い側に光出射端面を形成するか、又は光吸収波長が長い側に光導波路を形成し、段差領域から離れた光吸収波長が短い領域に光出射端面を形成すればよい。
また、本実施形態においては、基板１の主面に凹部１ａを設けることにより、積層構造体に凹部２を形成したが、これに限られない。すなわち、基板１に凹部１ａを設ける代わりに、例えば積層構造体の途中の層に凹部を設け、この凹部を含むように残りの積層構造体を再成長することにより、凹部２を形成してもよい。
また、本実施形態においては、レーザ構造における共振器長を６００μｍとしたが、これに限られず、２００μｍ以上且つ２００００μｍ（＝２０ｍｍ）以下であってもよい。さらには、共振器長は４００μｍ以上且つ１０００μｍ（＝１ｍｍ）以下であってもよい。
また、本実施形態においては、積層構造体の成長用基板に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。
また、本実施形態においては、半導体レーザ装置の片方の端面にのみ窓構造を設けたが、両方の端面に設けてもかまわない。
（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図７（ａ）は平面構成を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面構成を示し、図７（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図７において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図７（ｃ）に示すように、本変形例に係る青紫色半導体レーザ装置は、導波路に対して一方の側方領域にある凹部２がａ軸方向の一方（導波路と反対側）に、レーザ装置の端部にまで続いている。本構成を用いることにより、凹部２の容積を大きくすることが可能となる。このように、凹部２の容積を大きくできると、段差近傍に位置するＭＱＷ活性層５の発光エネルギーをさらに大きくして光吸収をさらに低減することができる。その上、発光エネルギーが変化する領域が大きくなるため、歩留まり良く安定的に端面窓領域を形成することが可能となる。
なお、図７に示す凹部を形成する方法は、図１に示す青紫半導体レーザ装置を製造する方法と同一であるから省略する。
（一実施形態の第２変形例）
以下、本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図８（ａ）は平面構成を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面構成を示し、図８（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図８において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図８（ｃ）に示すように、第２変形例に係るＧａＮ系半導体からなる積層構造体の成長用の基板１には、凹部１ａに代えて突起部１ｂが形成されている。ここで、突起部１ｂは、隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ長さが３０μｍ×３０μｍの平面方形状であり、高さは２μｍである。
このようにすると、突起部１ｂを含む基板１の主面上にエピタキシャル成長した積層構造体には、突起部２０による段差領域が形成される。従って、上記の一実施形態と同様に、段差領域により生じる禁制帯幅が大きい領域５ａに、ＭＱＷ活性層５の光出射端面を設けることにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく、端面窓構造を得ることができる。
なお、第２変形例においては、半導体レーザ装置の片方の端面にのみ窓構造を設けたが、両方の端面に設けてもかまわない。
以下、基板１に突起部１ｂを形成する形成方法の一例を説明する。
まず、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮからなる基板１の主面上に、例えば原料にＳｉＨ４を用いた熱ＣＶＤ法により、膜厚が６００ｎｍのＳｉＯ２からなるマスク膜（図示せず）を成膜する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、マスク膜を、隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ幅が３０μｍ×３０μｍの平面方形状にパターニングする。
次に、エッチングガスにＣＦ４を用いたＩＣＰエッチング装置により、マスク膜が形成された基板１の上部をエッチングすることにより、基板１に高さが２μｍの突起部１ｂを形成する。その後、フッ化水素酸を用いてマスク膜を除去する。
その後は、ＭＯＣＶＤ法等により、突起部１ｂが形成された基板１の主面上に、一実施形態と同様の構成を持つ積層構造体をエピタキシャル成長し、リッジストライプ型の半導体レーザ装置を作製する。
なお、本変形例においては、基板１の主面に突起部１ｂを設けることにより、積層構造体に突起部２０を形成したが、これに限られない。すなわち、基板１に突起１ｂを設ける代わりに、例えば積層構造体の途中の層に突起部を設け、この突起部を含むように残りの積層構造体を再成長することにより、突起部２０を形成してもよい。
また、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は光出射端面を含む面に形成されていてもよい。さらには、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は光出射端面を含む面に形成されていなくても、光出射端面にエネルギー変化領域があれば、その面の近傍に形成されていてもよい。光出射端面を含む面に形成されていない場合は、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は、光出射端面を含む面から０μｍより大きく且つ２０μｍ以下、又は０μｍより大きく以上且つ２００μｍ以下の位置に形成してもよい。
（一実施形態の第３変形例）
以下、本発明の一実施形態の第３変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図９（ａ）は平面構成を示し、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面構成を示し、図９（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図９において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図９（ｃ）に示すように、本変形例における青紫色半導体レーザ装置は、突部部１ｂがａ軸方向に、レーザ装置の端部まで続いている。本構成を用いることにより、突起部１ｂの体積を大きくすることが可能となる。これにより、段差近傍に位置するＭＱＷ活性層５の発光エネルギーをさらに大きくして光吸収をさらに低減することができる。その上、発光エネルギーが変化する領域が大きくなるため、歩留まり良く安定的に端面窓領域を形成することが可能となる。
なお、図９に示す突起部１ｂを形成する方法は、図８に示す青紫半導体レーザ装置を製造する方法と同一であるから省略する。
このように、本発明に係る一実施形態及びその変形例は、ＧａＮ系半導体からなるレーザ構造を含む積層構造体において、基板１に設けた凹部１ａ又は突起部１ｂにより形成される段差領域の近傍に、ＭＱＷ活性層５の他の領域よりも禁制帯幅が大きい領域５ａを生じさせ、この禁制帯幅が大きい領域５ａを含むように光出射端面を設けている。
これにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を形成できるため、端面劣化を防止できると共に、高出力且つ高信頼性を有するＧａＮ形半導体レーザ装置を得ることができる。
なお、本発明に係る一実施形態及び各変形例において、基板１に設けた凹部１ａ及び突起部１ｂのｍ軸方向の一辺の長さは、例えば約５μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約５０μｍ以上且つ約２００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａ及び突起部１ｂのａ軸方向の一辺の長さは、例えば約２０μｍ以上且つ約１００μｍ以下、約２μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１００μｍ以下であってもよい。
また、凹部１ａの深さ又は突起部１ｂの高さは、例えば約０．１μｍ以上且つ約１０μｍ以下であってもよく、積層構造体に形成された突起部２０としては、その高さは例えば約０．０１μｍ以上且つ約５μｍ以下であってもよい。
また、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約１μｍ以上且つ約１５μｍ以下又は約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成してもよい。
本発明に係る半導体レーザ装置は、光ディスク用の記録及び再生用の光源のみならず、レーザディスプレイ又は液晶バックライト、さらには手術用のレーザメスや溶接用途等に用いることができ、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体レーザ装置等に有用である。
本発明は、III族窒化物半導体、すなわち窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置は、小型、安価及び高出力等の優れた特徴を有することから、通信用途や光ディスク用途等の情報通信技術（ＩＴ技術）の他に、医療分野や照明分野等の、幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、ブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）ディスク等に用いられる、波長が４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が進展している。また、レーザディスプレイや液晶表示装置のバックライト用光源に用いられる、波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ光を出力可能なＧａＮ系半導体レーザ装置の開発が進められている。
これらのＧａＮ系半導体レーザ装置は、光ディスク用途では高速且つ多層記録のための高出力化が求められ、また、ディスプレイ用途及びバックライト用途では高輝度化のための高出力化が求められている。半導体レーザ装置を高出力化するには、レーザ光を生成する共振器における光出射端面がレーザ光により劣化する端面劣化と呼ばれる劣化モードを抑制することがことのほか重要となる。
以下、端面劣化について説明する。
半導体レーザ装置における共振器端面、特に光出射端面を構成する原子と、該共振器端面上に成膜されるコーティング材を構成する原子又はレーザ装置の雰囲気として存在する原子とが化学反応を起こすことにより、光出射端面にレーザ光の吸収の原因となる結晶の不完全性が増大する。光出射端面において結晶の不完全性が増大すると、光吸収が増大し、吸収された光の多くは熱となって該端面の温度を上昇させる。温度上昇は半導体のバンドギャップの収縮を招き、そのために光吸収がさらに増大し、温度が上昇するという正帰還が生じる。この正帰還の結果、やがて端面の結晶が溶解する、カタストロフィックオプティカルダメージ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ：ＣＯＤ）と呼ばれる不具合が生じる。
従来、端面劣化を克服するために、ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置においては、端面窓構造が採用されている。端面窓構造とは、活性層における光出射端面の近傍の禁制帯幅を共振器の他の領域の禁制帯幅よりも大きくする構造をいう。このため、光出射端面の近傍における光吸収量が小さくなって、該光出射端面における発熱量が小さくなるので、端面劣化を抑制することができる。
従来のＧａＡｓ系半導体レーザ装置において、端面窓構造の形成に、イオン注入又は不純物拡散を用いた活性層の無秩序化技術が用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。
例えば、イオン注入法では、活性層及びその近傍にイオンを注入し、その後、熱処理を行う。注入したイオン及び注入に伴う欠陥の熱拡散により、禁制帯幅が小さい活性層を構成する半導体材料が、その周辺の禁制帯幅が大きい領域の半導体材料と混ざり合って無秩序化する。その結果、活性層の禁制帯幅が注入前と比べて大きくなるので、レーザ光の吸収量が小さくなる。また、不純物拡散法の場合は、端面窓部の上側に設けた拡散定数が大きい金属不純物等を熱拡散させる。熱拡散した不純物が活性層を無秩序化して、該活性層の禁制帯幅が大きくなって、光吸収が小さくなる。
特開昭６３−１６４２８８号公報 特開昭６３−１９６０８８号広報
しかしながら、ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、ＧａＮ結晶の結合が強いことから、注入イオン又は不純物の拡散定数が小さく、イオン注入法又は不純物拡散法による端面窓構造の形成が困難であるという問題がある。このため、ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、端面窓構造を有するレーザ構造が未だ実用化されていない。
本発明は、前記従来の問題を解決し、ＧａＮ系半導体からなる半導体レーザ装置にイオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を実現して、端面劣化を防止できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ装置を、レーザ構造を含むIII族窒化物半導体よりなる積層構造体の一部であって、少なくとも光出射端面の近傍で且つ導波路の側方に段差領域を設ける構成とする。
本願発明者らは、種々の検討を行った結果、基板の一部に段差領域を設けた後にレーザ構造を含むＧａＮ系半導体を成長すると、活性層における段差領域の近傍領域の禁制帯幅が、段差領域から離れた領域の禁制帯幅とは異なるという知見を得ている。この禁制帯幅が大きい領域にレーザ装置の光出射端面を設けることにより、光出射端面における禁制帯幅が大きい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を形成することができる。
本発明は、この知見により得られたものであり、具体的には以下の構成により実現される。
本発明に係る半導体レーザ装置は、それぞれがIII族窒化物半導体よりなり、活性層を含むと共に段差領域が選択的に形成された積層構造体を備え、積層構造体は、該積層構造体の主面に平行な面内に延びるストライプ状の導波路を有し、導波路における互いに対向する端面同士の少なくとも一方が光出射端面であり、段差領域の周囲には、活性層における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つ活性層における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されており、導波路は、第１の領域及び第２の領域を含む一方、段差領域を含まないように形成され、光出射端面は、第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域に形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体レーザ装置によると、段差領域が形成された積層構造体における段差領域の周囲には、活性層における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つ活性層における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されており、導波路は第１の領域及び第２の領域を含む一方、段差領域を含まないように形成され、光出射端面は第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域に形成されている。これにより、光出射端面におけるレーザ光の光吸収が小さい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を実現することができる。
本発明の半導体レーザ装置は、積層構造体が結晶成長する基板をさらに備え、段差領域は、基板の主面に形成された凹部又は突起部により形成されていることが好ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、第１の領域の禁制帯幅Ｅｇ１は、第２の領域のＥｇ２よりも大きいことが好ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、積層構造体の主面における結晶面に対する第１の領域の傾斜角度は、結晶面に対する第２の領域の傾斜角度とは異なることが好ましい。
ＧａＮ系の混晶成長において、成長面のオフ角度が組成に影響することが知られている。例えば、主面の面方位が（０００１）面の窒化ガリウム（ＧａＮ）の上に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）よりなる混晶を成長する場合は、（０００１）面に対するオフ角度が大きくなると、Ｉｎ組成が大きく低下することが知られている。段差領域を設けた基板上にＧａＮ系混晶を成長すると、段差領域の近傍において結晶面に傾斜が生じ、オフ角度が変化する。また、段差領域の高さ及び形状を調整することにより、オフ角度が変化する領域の面積及びオフ角度の大きさを制御することができる。すなわち、オフ角度に応じて、ＧａＮ系混晶の組成比、例えばＩｎＧａＮのＩｎ組成が変わるため、禁制帯幅を制御することができる。このように、段差領域の近傍の第１の領域と該段差領域から離れた第２の領域という、禁制帯幅が異なる２つの領域を形成し、そのうち、光吸収波長が短い領域を端面とするレーザ構造を形成することにより、端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を実現できる。
本発明の半導体レーザ装置において、積層構造体の主面における第１の領域の高さは、第２の領域の高さと異なることが好ましい。
ここで、第１の領域と第２の領域とが連続してつながっていれば、第１の領域の少なくとも一部には第２の領域から見て傾斜した領域、すなわちオフ角度が異なる領域が形成される。オフ角度が異なる領域では、例えばＩｎＧａＮのＩｎ組成が変化することから、禁制帯幅が異なる領域を形成することができる。禁制帯幅が異なる領域のうち、禁制帯幅が大きい領域、すなわち光吸収波長が短い領域に光出射端面を形成することにより、端面窓構造を有するＧａＮ系レーザ装置を形成することができる。
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は、その組成にインジウム（Ｉｎ）を含むことが好ましい。
ＧａＮ系半導体にインジウム（Ｉｎ）を添加することにより、禁制帯幅が小さくなる。すなわち、ＩｎＧａＮをレーザ活性層に用いることにより、レーザ光の発振波長の長波長化が可能であり、波長が４０５ｎｍのディスク用青紫色レーザ装置や、波長４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ装置においては、ＩｎＧａＮを活性層材料に用いている。前述したように、Ｉｎを含むＧａＮ系結晶、すなわちＩｎＧａＮ系結晶では、オフ角度によりＩｎ組成を制御できる。本発明をＩｎＧａＮ系半導体レーザ装置に適用することによって、端面窓構造を有するディスク用青紫色レーザ装置のみならず、照明用途又はバックライト用途等に適用可能な純青色レーザ装置等を実現することができる。
本発明の半導体レーザ装置において、段差領域は、導波路に対して一方の側方領域にのみ形成されていることが好ましい。
本願発明者らの検討によると、２つ以上の段差領域が近接して存在すると、段差領域同士の間の領域には禁制帯幅が変化する領域が形成されず、端面窓構造を形成することができない。そこで、２つ以上の段差領域を設ける場合には、段差領域同士を十分に離して形成することが望ましい。
本発明の半導体レーザ装置において、基板は主面の面方位がｃ面である六方晶系に属するIII族窒化物半導体よりなり、導波路はｃ面に平行な面内に、ｍ面の法線ベクトルに沿って形成されていることが好ましい。
現在、六方晶ＧａＮ系基板のｃ面を主面に用いたＧａＮ系半導体レーザ装置が、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク用途等に幅広く用いられている。このレーザ装置では、ｍ面が結晶の自然劈開面であることから、ストライプ状の導波路がｍ面の法線ベクトルに沿って延びており、ｍ面を劈開して共振器端面を形成している。上記の構成により、現在幅広く用いられているＢｌｕ−ｒａｙディスク用青紫色レーザ装置に端面窓構造を導入することができるため、高速書き込み動作及び高信頼性を実現することができる。
この場合に、導波路は、段差領域の縁から約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の領域に形成されていることが好ましい。
本願発明者らの検討によると、段差領域の縁から約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の離れた領域において、禁制帯幅の変化量が最も大きくなる。この禁制帯幅の変化量が最も大きい領域にストライプ状の導波路を設けることにより、端面窓構造の形成領域とその他の領域との禁制帯幅の差が大きい、すなわち、レーザ光の窓領域における光吸収量が一段と小さい端面窓構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置を形成することができる。
また、段差領域は、導波路に対して、基板の主面に形成された凹部又は突起部と同じ側に形成されていてもよい。
本発明に係る半導体レーザ装置によると、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を形成できるため、端面劣化を防止でき、高出力且つ高信頼性を有するＧａＮ形半導体レーザ装置を実現することができる。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成図であり、図１（ｃ）は右側面図である。 図２（ａ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置における活性層を成長した後の、段差領域及びその近傍の上面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図２（ｂ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点としたＣＬピークエネルギー（波長）のａ軸方向における位置依存性を示すグラフである。図２（ｃ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点としたＣＬピークエネルギー（波長）のｍ軸方向における位置依存性を示すグラフである。 図３（ａ）は図２（ｂ）の段差領域の近傍を拡大したグラフであり、図３（ｂ）は図２（ｃ）の段差領域の近傍を拡大したグラフである。 図４は本発明の一実施形態に係る他の青紫色半導体レーザ装置を示す平面図である。 図５は本発明の一実施形態に係る紫色半導体レーザ装置の積層構造体における段差領域の近傍の高さを段差計により測定した結果と高さから見積もったオフ角度とを表すグラフである。 図６は図５に示すオフ角度の変化から見積もった活性層の発光エネルギーの計算値と実験値とを表すグラフである。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面構成図であり、図７（ｃ）は右側面図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面構成図であり、図８（ｃ）は右側面図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置を示し、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面構成図であり、図９（ｃ）は右側面図である。
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図１（ａ）は平面構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、図１（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、六方晶系のＧａＮ系半導体を用いた出射光の波長が４０５ｎｍの青紫色半導体レーザ装置であり、段差領域を構成する凹部２の近傍に形成された禁制帯幅が大きい領域５ａに光出射端面を有している。
図１（ａ）〜（ｃ）において、六方晶であるＧａＮ系結晶における面方位を、ｃ、ａ及びｍで示す。ｃは面方位が（０００１）面の法線ベクトル、すなわちｃ軸を表し、ａは面方位が（１１−２０）面とその等価な面の法線ベクトル、すなわちａ軸を表し、ｍは面方位が（１−１００）面とその等価な面の法線ベクトル、すなわちｍ軸を表す。ここで、本願明細書においては、面方位におけるミラー指数に付した負符号”−”は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
以下、本実施形態に係る青紫色半導体レーザ装置の構造及び製造方法について説明する。
まず、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１の主面上に、例えば原料にシラン（ＳｉＨ４）を用いた熱化学気相成長（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：熱ＣＶＤ）法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる第１のマスク膜（図示せず）を成膜する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、第１のマスク膜に隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ幅が３０μｍ×３０μｍの平面方形状の開口部を形成する。
次に、エッチングガスに四フッ化炭素（ＣＦ４）を用いた誘導結合プラズマ(Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ:ＩＣＰ）エッチング装置により、基板１をエッチングすることにより、基板１に第１のマスク膜の開口部を通して深さが約２μｍの凹部１ａを形成する。その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いて第１のマスク膜を除去する。
次に、例えば有機金属気層成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、基板１の主面上に凹部１ａを含む全面にわたって、厚さが２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層３を成長し、続いて、ｎ型クラッド層３の上に、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層４を成長する。さらに、ｎ側光ガイド層４の上に、例えばＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層とＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる量子井戸層とを３周期分積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５を成長する。このとき、ＭＱＷ活性層５における凹部１ａの上方から離れた領域の禁制帯幅Ｅｇ２は、凹部１ａの上方の近傍領域の禁制帯幅Ｅｇ１と比べて、Ｅｇ２＜Ｅｇ１となる。このように、本発明によると、図１（ｂ）及び図１（ｃ）の光出射端面に示すように、凹部１ａによる段差領域によって生じる禁制帯幅が大きい領域５ａにＭＱＷ活性層５の光出射端面を設けることにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく、端面窓構造を実現することができる。なお、ＭＱＷ活性層５に、段差領域により禁制帯幅が大きい領域５ａが形成される現象の詳細は後述する。
次に、ＭＱＷ活性層５の上に、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層７を成長する。続いて、ｐ側光ガイド層７の上に、厚さが１０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層（ＯＦＳ層）８を成長し、ＯＦＳ層８の上に、厚さがそれぞれ１．５ｎｍのｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層とＧａＮ層とを１６０周期分繰り返してなる厚さが０．４８μｍの歪超格子からなるｐ型クラッド層９と、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０とを順次成長する。
ここで、図１（ｃ）に示すように、ＭＱＷ活性層５を含むエピタキシャル層（積層構造体）に形成された凹部２は、基板１に形成された凹部１ａを埋め込むように成長するため、凹部１ａの形状よりも幅も深さも小さくなることがある。また、積層構造体の成長条件によっては、凹部２は完全に埋め込まれて平坦となることがある。このような場合であっても、基板１に設けた凹部１ａの影響によりＭＱＷ活性層５における凹部１ａの上方の領域５ａの光吸収波長が短くなっていれば、すなわち領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１がＭＱＷ活性層５の他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも大きくなっていれば、端面窓構造として利用可能である。
なお、端面窓構造として利用するために、領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１は他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも５０ｍｅＶ以上大きいことが好ましい。さらに、領域５ａの禁制帯幅Ｅｇ１は他の領域の禁制帯幅Ｅｇ２よりも１００ｍｅＶ以上、さらには１５０ｍｅＶ以上大きいことが好ましい。但し、Ｅｇ１とＥｇ２との差は、「発光に寄与する活性層（Ｉｎ及びＧａ及びＮを含む）の禁制帯幅（Ｅｇ１）」と「その発光に寄与する活性層にＩｎが存在しないとした場合（ＩｎをすべてＧａに置き換えたとした場合等）の禁制帯幅」との差以下となる。例えば、青紫色レーザ装置（波長：約４０５ｎｍ）の場合は、Ｅｇ１とＥｇ２との差は、約３３０ｍｅＶを超えない。また、緑色レーザ装置（波長：約５４０ｎｍ）の場合は、Ｅｇ１とＥｇ２の差は、約１１００ｍｅＶを超えない。但し、青紫色レーザ装置及び緑色レーザ装置以外の場合は、これに限られない。
また、基板１のａ軸方向の幅が、一例として約２００μｍ以上且つ約４００μｍ以下であってもよく、基板１に設けた凹部１ａのｍ軸方向の一辺の長さは、例えば約５μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約５０μｍ以上且つ約２００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａのａ軸方向の一辺の長さは、例えば約２０μｍ以上且つ約１００μｍ以下が好ましく、約２μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａの深さは、例えば約０．１μｍ以上且つ約１０μｍ以下が好ましく、積層構造体に形成された凹部２としては、例えば約０．０１μｍ以上且つ約１０μｍ以下が好ましい。
積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料としては、例えばＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いればよい。さらに、ｎ型不純物であるＳｉ原料にはシラン（ＳｉＨ４）ガスを用い、ｐ型不純物であるＭｇ原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いればよい。
次に、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１０の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなる第２のマスク膜（図示せず）を成膜する。リソグラフィ法及びエッチング法により、第２のマスク膜を幅が１．５μｍのストライプ状で且つｍ軸方向と平行にパターニングする。
次に、ＩＣＰ法により、第２のマスク膜を用いて積層構造体の上部を０．３５μｍの深さにエッチングして、ｐ型コンタクト層１０及びｐ型クラッド層９の上部から、リッジストライプ部を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層９の上にリッジストライプ部を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜（パッシベーション膜）１２を形成する。
次に、リソグラフィ法により、絶縁膜１２におけるリッジストライプ部の上面に、該リッジストライプ部に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして絶縁膜１２をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層１０を露出する。
次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したｐ型コンタクト層１０の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、金属積層膜のリッジストライプ部を除く領域を除去して、ｐ側電極１３を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜１２の上にリッジストライプ部の上部のｐ側電極１３を覆うように、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が５００μｍで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍの配線電極１４を選択的に形成する。ここで、配線電極１４は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の金属積層膜により形成する。なお、一般に、基板１はウェハ状態であって、複数のレーザ装置は基板１の主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板１から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１４を切断すると、該配線電極１４に密着したｐ側電極１３がｐ型コンタクト層１０から剥がれるおそれがある。そこで、図１（ａ）に示すように、配線電極１４は互いに隣接するチップ同士でつながっていないことが望ましい。さらに、電解めっき法により、配線電極１４の上層のＡｕ層の厚さを１０μｍ程度にまで増やして、パッド電極１５を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、ＭＱＷ活性層５における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体レーザ装置の信頼性を向上することができる。
次に、パッド電極１５まで形成されたウェハ状態の基板１の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、基板１の裏面に、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕからなる金属積層膜によりｎ側電極１６を形成する。
次に、ウェハ状態の基板１を、ｍ軸方向の長さが６００μｍとなるようにｍ面に沿って１次劈開する。但し、この１次劈開時には、基板１に形成された凹部１ａにより、ＭＱＷ活性層５における吸収波長が短波長化された、すなわち禁制帯幅が大きくなった領域５ａを含むように劈開して、端面窓構造を形成する。その後、１次劈開された基板１を、ａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面に沿って２次劈開する。
以下、ＧａＮ系半導体からなり、ＭＱＷ活性層５を含むレーザ構造における光出射端面の近傍に凹部１ａによる段差領域を形成することにより、禁制帯幅が変化する現象を説明する。
図２（ａ）はＭＱＷ活性層５を成長した後の、凹部２による段差領域及びその近傍の上面の走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）像を示す。図２（ｂ）は図２（ａ）の段差領域の中心位置を原点に採り、ａ軸方向にカソードルミネッセンス（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ:ＣＬ）スペクトルをラインスキャンしたときの、ＣＬピークエネルギーを表している（左側の縦軸）。図２（ｃ）は、同様に段差領域の中心位置を原点に採り、ｍ軸方向にＣＬスペクトルをラインスキャンしたときのＣＬピークエネルギーを表している（左側の縦軸）。図２（ｂ）及び図２（ｃ）において、右側の縦軸はＣＬピークエネルギーと対応する光の波長を示している。図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、ａ軸方向及びｍ軸方向で共に段差領域の近傍においてＣＬピークエネルギーが大きくなる領域が存在する。一般に、禁制帯幅が大きいと、発光ピークエネルギーは大きくなる。このとき、光吸収波長は短くなる。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ図２（ｂ）及び図２（ｃ）の段差領域の近傍を拡大して表している。本実施形態においては、一辺が３０μｍ×３０μｍの段差領域（凹部２）の中心を原点に採っているため、図中の横軸の１５μｍの位置が段差領域の縁となる。ａ軸とｍ軸とでは、ＣＬピークエネルギーの変化量の最大値は約９２ｍｅＶと等しいものの、ＣＬピークエネルギーが変化する領域の幅が異なっており、図３（ａ）に示すａ軸方向では約１４μｍであり、図３（ｂ）に示すｍ軸方向では約２μｍである。
また、ａ軸方向においては、段差領域の縁から約５μｍ離れた領域においてＣＬピークエネルギーが最も大きくなっている。そこで、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約５μｍの距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成することが望ましい。六方晶系であるＧａＮ系材料では、ｍ面が自然劈開面である。上記の構成により、段差領域の近傍で且つ短波長化領域を含み且つｍ面が露出するように劈開することにより、光出射端面におけるＣＬピークエネルギーが最も大きい、すなわち光出射端面におけるレーザ光の吸収量が最も少ない構造を得ることが可能となる。なお、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約１μｍ以上且つ約１５μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成してもよい。
また、本実施形態においては、段差領域を生じさせる、基板１に設けた凹部１ａの各辺をａ軸及びｍ軸に平行にし且つ深さを２μｍとしたが、凹部１ａの平面寸法、平面形状及び深さに応じて、積層構造体におけるＣＬピークエネルギーの変化量が最も大きくなる位置が異なる場合がある。例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示したように、本発明に係る実施形態においては、ＣＬピークエネルギーが変化する領域は、凹部１ａの縁から２μｍ以上且つ１４μｍ以下であったが、凹部１ａの形状及び積層構造体の成膜条件によっては、ＣＬピークエネルギーが変化する領域は凹部１ａの縁から１μｍ以上且つ１００μｍ以下となる場合がある。このような場合には、ＣＬピークエネルギーの変化量が最も大きい領域を含むように光導波路を形成し、且つ変化量が最も大きい領域で劈開することにより、光吸収が少ない端面窓構造を形成することができる。例えば、ａ軸方向のＣＬピークエネルギーの変化量が凹部１ａの縁から１００μｍで最大の変化量を示す場合には、図４に示すように、図１（ａ）と比べて凹部２をリッジストライプ部から離して形成する。
また、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は光出射端面を含む面に形成されていてもよい。さらには、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は光出射端面を含む面に形成されていなくても、光出射端面にエネルギー変化領域があれば、その面の近傍に形成されていてもよい。光出射端面を含む面に形成されていない場合は、段差領域（又は基板１に形成された凹部１ａ）は、光出射端面を含む面から０μｍより大きく且つ２０μｍ以下、又は０μｍより大きく且つ２００μｍ以下の位置に形成されていてもよい。
さらに、本願発明者らは、ＣＬピークエネルギーが大きい領域と小さい領域とのＩｎ組成を、Ｘ線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＥＰＭＡ）を用いて調べたところ、ＣＬピークエネルギーが大きい領域ではＩｎ組成が小さく、一方、ＣＬピークエネルギーが小さい領域ではＩｎ組成が大きいことが分かった。Ｉｎ組成が大きい程、ＩｎＧａＮにおける発光ピークエネルギーが小さくなることから、Ｉｎの組成変化が段差領域の近傍におけるＣＬピークエネルギー変化の原因であると考えられる。
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すＣＬスペクトルのラインスキャンを行った領域に沿って、段差計を用いて高さ測定を行ったところ、吸収波長が変化している領域において、積層構造体における段差領域の近傍がわずかに傾斜していることが分かった。図５には左縦軸にａ軸方向の高さの測定結果を示し、右縦軸に高さ変化から読み取ったａ軸方向への傾斜角度（オフ角度）を示す。本願発明者らが行った実験によると、ｃ面上に成長したＩｎＧａＮ系材料において、オフ角度が大きくなると、Ｉｎ組成が低下して、発光ピークエネルギーが小さくなることが分かっている。図６は、オフ角度から計算したＩｎＧａＮからなる活性層の発光エネルギーと、実験から得られたＣＬピークエネルギーとを重ねて表している。図６から分かるように、エネルギー変化領域の位置とエネルギー変化量とが概ね一致しており、積層構造体における段差領域の近傍においてオフ角度が大きくなったことがＩｎ組成の低下につながり、ＣＬピークエネルギーの増加をもたらしたと考えられる。
なお、本実施形態においては、積層構造体に設けた段差領域の近傍における傾斜に起因するＩｎの組成低下により発光ピークエネルギーが大きくなる場合について記載したが、他の要因、例えば段差領域にＩｎ原料が吸い込まれる現象に起因するＩｎ組成の低下、又はＩｎ原料及びＧａ原料が吸い込まれる現象に起因する段差領域の近傍における井戸幅の減少によるＣＬピークエネルギーの増大であっても構わない。
六方晶系であるＧａＮ系化合物半導体においては、ＩｎＧａＮ等の、ＧａＮと格子定数が異なる半導体を積層すると、ピエゾ電界と呼ばれる内部電界が強く生じることが知られている。ピエゾ電界は、半導体のエネルギーバンドを曲げ、結果として、発光ピークエネルギーが小さくなる。一方、レーザ発振のために、レーザ構造にキャリアを注入すると、ピエゾ電界は注入キャリアにより隠蔽されて、発光ピークエネルギーが大きくなる。
ところで、端面出射型の半導体レーザ装置は、光出射端面に流れることにより熱として失われる電流を小さくしたり、劈開時の電極の剥がれを防止するために、光導波路の端面近傍に電極をつけない、端面電流非注入構造を採ることがある。しかしながら、ピエゾ電界を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ系半導体レーザ装置においては、非注入領域においては発光ピークエネルギーが小さいため、すなわち光吸収が大きいため、端面電流非注入構造を採用することにより、光出射端面での光吸収が大きくなることがある。また、段差領域の近傍において、結晶成長装置の炉内に存在するＳｉ等の不純物の取り込みが増えることがある。このような不純物は、例えばＧａＮ系半導体のドナーとして機能し、ピエゾ電界を隠蔽するキャリアを生成する。このため、半導体積層体における段差領域の近傍では、電流注入を行わなくても、ピエゾ電界が隠蔽される結果、発光ピークエネルギーが大きくなる。従って、ピエゾ電界を有するＧａＮ系半導体レーザ装置において、段差領域の近傍に端面窓構造を形成することにより、電流非注入構造における端面電流の低減及び電極剥がれの抑制という効果を発揮しながら、光出射端面における光吸収量を増大させることができる。
なお、本実施形態において、光導波路の光出射端面に窓領域を設ける構成について説明したが、光導波路の対向する両方の端面に窓領域を設けてもよい。また、基板１に形成した凹部１ａの平面寸法及び深さは、凹部１ａにより形成される段差領域の近傍に光吸収波長が短い領域が形成され、同領域を端面窓として用いることができれば、本実施形態の寸法及び深さでなくても構わない。
また、レーザ構造を含む積層構造体に設けた段差領域の近傍に光吸収波長が短い領域が形成される例について説明したが、積層構造体の成長条件又は成長用基板が有するオフ角度により、逆に、光吸収波長が長い領域が形成される場合がある。このような場合は、段差領域の影響がない、光吸収波長が相対的に短い領域を端面窓領域とすればよい。
さらに、基板にａ軸方向にオフ角が付いる場合は、ａ軸に対して段差領域の一方側に光吸収波長が長い領域が形成され、且つ他方側に光吸収波長が短い領域が形成されることがある。この場合は、光吸収波長が短い側に光出射端面を形成するか、又は光吸収波長が長い側に光導波路を形成し、段差領域から離れた光吸収波長が短い領域に光出射端面を形成すればよい。
また、本実施形態においては、基板１の主面に凹部１ａを設けることにより、積層構造体に凹部２を形成したが、これに限られない。すなわち、基板１に凹部１ａを設ける代わりに、例えば積層構造体の途中の層に凹部を設け、この凹部を含むように残りの積層構造体を再成長することにより、凹部２を形成してもよい。
また、本実施形態においては、レーザ構造における共振器長を６００μｍとしたが、これに限られず、２００μｍ以上且つ２００００μｍ（＝２０ｍｍ）以下であってもよい。さらには、共振器長は４００μｍ以上且つ１０００μｍ（＝１ｍｍ）以下であってもよい。
また、本実施形態においては、積層構造体の成長用基板に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板）を用いたが、ＧａＮ系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることができる。
また、本実施形態においては、半導体レーザ装置の片方の端面にのみ窓構造を設けたが、両方の端面に設けてもかまわない。
（一実施形態の第１変形例）
以下、本発明の一実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図７（ａ）は平面構成を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面構成を示し、図７（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図７において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図７（ｃ）に示すように、本変形例に係る青紫色半導体レーザ装置は、導波路に対して一方の側方領域にある凹部２がａ軸方向の一方（導波路と反対側）に、レーザ装置の端部にまで続いている。本構成を用いることにより、凹部２の容積を大きくすることが可能となる。このように、凹部２の容積を大きくできると、段差近傍に位置するＭＱＷ活性層５の発光エネルギーをさらに大きくして光吸収をさらに低減することができる。その上、発光エネルギーが変化する領域が大きくなるため、歩留まり良く安定的に端面窓領域を形成することが可能となる。
なお、図７に示す凹部を形成する方法は、図１に示す青紫半導体レーザ装置を製造する方法と同一であるから省略する。
（一実施形態の第２変形例）
以下、本発明の一実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の一実施形態の第２変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図８（ａ）は平面構成を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面構成を示し、図８（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図８において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図８（ｃ）に示すように、第２変形例に係るＧａＮ系半導体からなる積層構造体の成長用の基板１には、凹部１ａに代えて突起部１ｂが形成されている。ここで、突起部１ｂは、隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ長さが３０μｍ×３０μｍの平面方形状であり、高さは２μｍである。
このようにすると、突起部１ｂを含む基板１の主面上にエピタキシャル成長した積層構造体には、突起部２０による段差領域が形成される。従って、上記の一実施形態と同様に、段差領域により生じる禁制帯幅が大きい領域５ａに、ＭＱＷ活性層５の光出射端面を設けることにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく、端面窓構造を得ることができる。
なお、第２変形例においては、半導体レーザ装置の片方の端面にのみ窓構造を設けたが、両方の端面に設けてもかまわない。
以下、基板１に突起部１ｂを形成する形成方法の一例を説明する。
まず、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮからなる基板１の主面上に、例えば原料にＳｉＨ４を用いた熱ＣＶＤ法により、膜厚が６００ｎｍのＳｉＯ２からなるマスク膜（図示せず）を成膜する。その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、マスク膜を、隣り合う２辺がａ軸とｍ軸とに平行で且つ幅が３０μｍ×３０μｍの平面方形状にパターニングする。
次に、エッチングガスにＣＦ４を用いたＩＣＰエッチング装置により、マスク膜が形成された基板１の上部をエッチングすることにより、基板１に高さが２μｍの突起部１ｂを形成する。その後、フッ化水素酸を用いてマスク膜を除去する。
その後は、ＭＯＣＶＤ法等により、突起部１ｂが形成された基板１の主面上に、一実施形態と同様の構成を持つ積層構造体をエピタキシャル成長し、リッジストライプ型の半導体レーザ装置を作製する。
なお、本変形例においては、基板１の主面に突起部１ｂを設けることにより、積層構造体に突起部２０を形成したが、これに限られない。すなわち、基板１に突起１ｂを設ける代わりに、例えば積層構造体の途中の層に突起部を設け、この突起部を含むように残りの積層構造体を再成長することにより、突起部２０を形成してもよい。
また、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は光出射端面を含む面に形成されていてもよい。さらには、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は光出射端面を含む面に形成されていなくても、光出射端面にエネルギー変化領域があれば、その面の近傍に形成されていてもよい。光出射端面を含む面に形成されていない場合は、段差領域（又は基板１に形成された突起部１ｂ）は、光出射端面を含む面から０μｍより大きく且つ２０μｍ以下、又は０μｍより大きく以上且つ２００μｍ以下の位置に形成してもよい。
（一実施形態の第３変形例）
以下、本発明の一実施形態の第３変形例に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の一実施形態の第３変形例に係る青紫色半導体レーザ装置であって、図９（ａ）は平面構成を示し、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面構成を示し、図９（ｃ）は右側面（光出射端面）の構成を示している。図９において、図１に示した符号と同一の構成要件には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図９（ｃ）に示すように、本変形例における青紫色半導体レーザ装置は、突部部１ｂがａ軸方向に、レーザ装置の端部まで続いている。本構成を用いることにより、突起部１ｂの体積を大きくすることが可能となる。これにより、段差近傍に位置するＭＱＷ活性層５の発光エネルギーをさらに大きくして光吸収をさらに低減することができる。その上、発光エネルギーが変化する領域が大きくなるため、歩留まり良く安定的に端面窓領域を形成することが可能となる。
なお、図９に示す突起部１ｂを形成する方法は、図８に示す青紫半導体レーザ装置を製造する方法と同一であるから省略する。
このように、本発明に係る一実施形態及びその変形例は、ＧａＮ系半導体からなるレーザ構造を含む積層構造体において、基板１に設けた凹部１ａ又は突起部１ｂにより形成される段差領域の近傍に、ＭＱＷ活性層５の他の領域よりも禁制帯幅が大きい領域５ａを生じさせ、この禁制帯幅が大きい領域５ａを含むように光出射端面を設けている。
これにより、イオン注入又は不純物拡散を用いることなく端面窓構造を形成できるため、端面劣化を防止できると共に、高出力且つ高信頼性を有するＧａＮ形半導体レーザ装置を得ることができる。
なお、本発明に係る一実施形態及び各変形例において、基板１に設けた凹部１ａ及び突起部１ｂのｍ軸方向の一辺の長さは、例えば約５μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約５０μｍ以上且つ約２００μｍ以下であってもよい。また、凹部１ａ及び突起部１ｂのａ軸方向の一辺の長さは、例えば約２０μｍ以上且つ約１００μｍ以下、約２μｍ以上且つ約２００μｍ以下、又は約２μｍ以上且つ約１００μｍ以下であってもよい。
また、凹部１ａの深さ又は突起部１ｂの高さは、例えば約０．１μｍ以上且つ約１０μｍ以下であってもよく、積層構造体に形成された突起部２０としては、その高さは例えば約０．０１μｍ以上且つ約５μｍ以下であってもよい。
また、ストライプ状の導波路を、段差領域からａ軸方向に約１μｍ以上且つ約１５μｍ以下又は約２μｍ以上且つ約１０μｍ以下の距離をおいて、ｍ軸方向に平行に形成してもよい。
本発明に係る半導体レーザ装置は、光ディスク用の記録及び再生用の光源のみならず、レーザディスプレイ又は液晶バックライト、さらには手術用のレーザメスや溶接用途等に用いることができ、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体レーザ装置等に有用である。
１ 基板
１ａ 凹部（基板）
１ｂ 突起部
２ 凹部（積層構造体）
３ ｎ型クラッド層
４ ｎ側光ガイド層
５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
５ａ 禁制帯幅が大きい領域（光吸収波長が短い領域）
７ ｐ側光ガイド層
８ キャリアオーバフロー抑制層
９ ｐ型クラッド層
１０ ｐ型コンタクト層
１２ 絶縁膜
１３ ｐ側電極
１４ 配線電極
１５ パッド電極
１６ ｎ側電極
２０ 突起部（積層構造体）

Claims (10)

  1. それぞれがIII族窒化物半導体よりなり、活性層を含むと共に段差領域が選択的に形成された積層構造体を備え、
    前記積層構造体は、該積層構造体の主面に平行な面内に延びるストライプ状の導波路を有し、
    前記導波路における互いに対向する端面同士の少なくとも一方が光出射端面であり、
    前記段差領域の周囲には、前記活性層における禁制帯幅がＥｇ１である第１の領域と、該第１の領域と隣接し且つ前記活性層における禁制帯幅がＥｇ２（但し、Ｅｇ２≠Ｅｇ１）である第２の領域とが形成されており、
    前記導波路は、前記第１の領域及び第２の領域を含む一方、前記段差領域を含まないように形成され、
    前記光出射端面は、前記第１の領域及び第２の領域のうち光吸収波長が短い領域に形成されている半導体レーザ装置。
  2. 請求項１において、
    前記積層構造体が結晶成長する基板をさらに備え、
    前記段差領域は、前記基板の主面に形成された凹部又は突起部により形成される半導体レーザ装置。
  3. 請求項２において、
    前記基板は、主面の面方位がｃ面である六方晶系に属するIII族窒化物半導体よりなり、
    前記導波路は、ｃ面に平行な面内に、ｍ面の法線ベクトルに沿って形成されている半導体レーザ装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記第１の領域の禁制帯幅Ｅｇ１は、前記第２の領域のＥｇ２よりも大きい半導体レーザ装置。
  5. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記積層構造体の主面における結晶面に対する前記第１の領域の傾斜角度は、前記結晶面に対する前記第２の領域の傾斜角度とは異なる半導体レーザ装置。
  6. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記積層構造体の主面における前記第１の領域の高さは、前記第２の領域の高さと異なる半導体レーザ装置。
  7. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記活性層は、その組成にインジウム（Ｉｎ）を含む半導体レーザ装置。
  8. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記段差領域は、前記導波路に対して一方の側方領域にのみ形成されている半導体レーザ装置。
  9. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記導波路は、前記段差領域の縁から２μｍ以上且つ１０μｍ以下の領域に形成されている半導体レーザ装置。
  10. 請求項２において、
    前記段差領域は、前記導波路に対して、前記凹部又は前記突起部と同じ側に形成されている半導体レーザ装置。
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