JPWO2010079541A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

半導体レーザ装置は、基板１１の上に形成された活性層２６を含む半導体層積層体２０を備えている。半導体層積層体２０は、光が出射する前方端面と、前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状の導波路部と、前方端面と交差する方向に延びる第１の領域２０Ａと、第１の領域２０Ａと上面の高さが異なる第２の領域２０Ｂと、第１の領域２０Ａと第２の領域２０Ｂとの間に形成され、第２の領域２０Ｂと比べて表面における周期的な凹凸の変化が小さい平坦領域２０Ｃとを有している。光導波路は、平坦領域２０Ｃに形成されている。

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。
小型、安価、高出力等の優れた特徴をもつため、半導体レーザ装置が、通信及び光ディスク等のＩＴ技術をはじめ、医療及び照明等の幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、ブルーレイディスク用の波長が４０５ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体レーザ装置の開発が精力的に進められている。また、レーザディスプレイ及び液晶のバックライト等に用いる、ＧａＮ系半導体を用いた波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ装置の開発が進められている。
放射ビーム形状が複数のピークをもつと、ディスク用途では意図しない箇所への書き込等が生じるおそれがある。また、ディスプレイやバックライト用途では、出射したレーザ光を整形する光学系が複雑になり、コスト増の原因となる。このため、ＧａＮ系の半導体レーザ装置には、遠視野像（Far Field Pattern：ＦＦＰ）が単峰性の出射ビーム形状が求められている。
光導波路の平坦性が低く、光導波路内を導波するレーザ光に散乱を生じる周期の凹凸が存在すると、散乱を受けたレーザ光の一部は共振器の内部で吸収される。また、散乱されたレーザ光の一部は基板側に放射される。散乱により光損失が生じるため、レーザ装置の効率が低下する。また、基板側に放射された光は、基板モードと呼ばれる、本来の導波モードとは異なるモードで導波する。この光が外部に放射されると、出射ビームのＦＦＰにリップルとしてあらわれ、単峰性が損なわれる。このため、ＦＦＰが単峰性の半導体レーザ装置を実現するためには、光導波路の平坦化が重要となる。
一方、ＧａＮ系半導体レーザでは、ディスク用途では高速書き込み及び多層記録のために高効率化（高出力化）が求められている。また、ディスプレイ及びバックライト用途では高輝度化のための高効率化（高出力）が求められている。
活性層のＥｇが共振器の光利得領域において一定値をとらずにばらつくと、レーザ光の生成に寄与する活性層の実効的な体積が減少する。活性層の堆積の減少は、活性層利得を減少させるためレーザ装置の効率を低下させる。このため、高効率の半導体レーザ装置ｗ実現するためには活性層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を光利得領域において十分均一に保つ必要がある。
光導波路を平坦化するために、基板のオフ角度を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。例えば、基板のオフ角度を０．２°から１．０°とすることにより、基板の上に形成する半導体層を平坦化し、光導波路を平坦化することができる。
特許第３８１６９４２号明細書
本願発明者は、基板のオフ角度を制御することにより、積層構造表面の平坦性を向上させることができるだけでなく、活性層のＥｇのばらつきを低減することも可能であるという知見を得た。しかしながら、基板にオフ角を設けることにより、光導波路を平坦化すると共に活性層のＥｇを均一とする場合には、基板のコストが上昇してしまうという問題がある。また、基板の面内にオフ角度の分布があるため、基板の特定の部位しか用いることができない。このため、一枚のウェハから得られる半導体レーザ装置の数が大きく低下してしまう。
本開示は前記の問題を解決し、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現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、例示の半導体レーザ装置を、段差の上に半導体層を形成し、光導波路を段差の近傍の平坦領域に形成する構成とする。
具体的に、例示の半導体レーザ装置は、基板の上に形成された活性層を含む半導体層積層体を備え、半導体層積層体は、光を出射する前方端面と、前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状の光導波路と、前方端面と交差する方向に延びる第１の領域と、第１の領域と上面の高さが異なる第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に形成され、第２の領域と比べて表面における周期的な凹凸の変化が小さい平坦領域とを有し、光導波路は、平坦領域に形成されていることを特徴とする。
例示の半導体レーザ装置は、光導波路が平坦領域に形成されているため、光導波路の平坦性を向上させることができる。このため、レーザビームの遠視野像（ＦＦＰ）にリップルが生じにくくなり、単峰性により近いＦＦＰを実現できる。さらに、活性層におけるバンドギャップエネルギーのばらつきを低減できるため、半導体レーザ装置の効率を向上させることが可能となる。
例示の半導体レーザ装置において、平坦領域は前方端面と交差する方向において、高さの変化が第２の領域と比べて小さい構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状のリッジ部を有し、リッジ部は、平坦領域に形成されている構成としてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、基板は上面の高さが互いに異なる２つの領域を有し、第１の領域は２つの領域の一方の上に形成され、第２の領域は２つの領域の他方の上に形成されている構成としてもよい。
この場合において、２つの領域の一方が溝部であり、第１の領域が溝部の上に形成されていてもよく、２つの領域の一方がストライプ状の凸部であり、第１の領域が凸部の上に形成されていてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、２つの領域の境界とリッジ部との間隔は１μｍ以上且つ１５μｍ以下とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、活性層におけるリッジ部の下に形成された部分は、活性層の他の部分と比べてバンドギャップエネルギーのばらつきが小さい構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体における、光導波路が形成された領域の上面は、二乗平均粗さが２０ｎｍ以下である構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、窒化物半導体からなり、光導波路は、窒化物半導体のｍ軸に沿った方向に形成されている構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、活性層は、インジウムを含む構成としてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、平坦領域は、前方端面から、該前方端面と反対側の後方端面まで連続して形成されていることが好ましい。
例示の半導体レーザ装置によれば、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現できる。
溝部を有する基板の上に形成した半導体層の表面形状の測定結果である。 （ａ）及び（ｂ）は図１に示す半導体層の表面形状を数値化したグラフであり、（ａ）は図１のIIａ−IIａ線におけるグラフであり、（ｂ）は図１のIIｂ−IIｂ線におけるグラフである。 溝部を有する基板の上に形成した活性層において、溝部の近傍においてカソードルミネッセンスの発光波長を測定した結果である。 溝部を有する基板の上に形成した活性層において、溝部から離れた部分においてカソードルミネッセンスの発光波長を測定した結果である。 （ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面図であり、（ｃ）は共振器端面における断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。
まず、本願発明者が見出した基板の上に形成された光導波路を平坦化すると共に活性層のバンドギャップエネルギーを均一化する方法について図面を参照して説明する。図１は、溝部１０２を有する基板の上に成長した窒化物半導体層１０４の表面形状をレーザ干渉計式形状測定機（Ｚｙｇｏ社製ＰＴＩ２５０）を用いて測定した結果を示している。各図において、六方晶ＧａＮ系結晶の面方位を、ｃ、ａ、ｍの符号により示す。ｃは（０００１）面と等価な面及びその法線ベクトルであるｃ軸を示している。ａは（１１−２０）面と等価な面及びその法線ベクトルであるａ軸を示している。ｍは（１−１００）面と等価な面及びその法線ベクトルであるｍ軸を示している。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、負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
図１に示すように、ｍ軸方向の長さが１００μｍであり、ａ軸方向の幅が２０μであり、ｃ軸方向の深さが２μｍの溝部１０２が形成された基板の上に厚さが２μｍの窒化物半導体層１０４が形成されている。窒化物半導体層１０４は、溝部１０２の形状を反映した凹部を有している。図２に凹部の形状をさらに詳細に検討した結果を示す。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１のIIａ−IIａ線及びIIｂ−IIｂ線における窒化物半導体層１０４の高さの変化を示している。図２において、窒化物半導体層１０４の高さは、最も低い部分の高さを０として相対的に示している。また、図２（ａ）は、溝部１０２の端部から５μｍの位置について測定している。
図２（ａ）に示すように、凹部のｍ軸方向の断面を見ると、窒化物半導体層１０４の溝部１０２の側方に形成された部分は、他の部分よりも高さが０．２μｍ程度低くなっている。また、溝部１０２の側方以外の領域に形成された部分には、高さの周期的な変化が観察された。変化の大きさは０．０２μｍ〜０．０４μｍ程度であり、変化の周期は２０μｍ〜２５μｍ程度であった。一方、溝部１０２の側方に形成された部分にはこのような周期的な高さの変化がほとんど認められない平坦領域１０５が存在していた。平坦領域１０５は、ｍ軸方向においては高さの差がほとんど０であり、平坦領域１０５以外の領域と比べて高さの変化が小さい。平坦領域１０５における二乗平均粗さ（ＲＭＳ）を測定したところ１０ｎｍ以下であった。
図２（ａ）に示すように、凹部のａ軸方向の断面を見ると、溝部１０２の端部から５μｍ程度の位置においては、窒化物半導体層１０４の高さは２０μｍで０．１μｍ程度高くなる傾斜を有している。図２（ａ）において溝部１０２の一方の側方は傾斜が急であり、他方の側方は傾斜が緩やかであるが、これは窒化物半導体層１０４の結晶の異方性によるものである。つまり、溝部１０２のａ軸方向の側方には、溝部１０２と並行してａ軸方向には高さが変化しているが、ｍ軸方向にはほとんど高さが変化していない平坦領域１０５が形成されている。
溝部１０２のａ軸方向の側方に形成され、ｍ軸方向には高さがほとんど変化しない平坦領域１０５に、ｍ軸方向に沿った光導波路を形成すれば、非常に平坦な光導波路が実現できる。これにより、単峰性のＦＦＰ形状を有する半導体レーザ装置が実現できる。
平坦領域１０５は、ａ軸方向には傾斜を有しているが、リッジ部のａ軸方向の幅は通常１μｍ〜２μｍ程度である。従って、リッジ部におけるａ軸方向の高さの変化は０．０１μｍ程度の単調変化であり、ａ軸方向の傾斜が問題となることはない。また、平坦領域はａ軸方向に傾斜を有する部分にのみ形成されるわけではなく、半導体層の形成条件によっては、ａ軸方向の傾斜もほとんどない平坦領域１０５を形成することも可能である。
図２（ｂ）においては、平坦領域１０５のｍ軸方向の長さは４０μｍ程度である。しかし、平坦領域１０５の長さは、溝部１０２の長さによって決まる。従って、溝部１０２の長さを長くすれば平坦領域１０５の長さを長くすることができ、共振器長が大きい半導体レーザ装置を形成することも容易にできる。
図３及び４は、窒化物半導体層１０４を活性層とし、活性層のバンドギャップエネルギーの指標であるカソードルミネセンス（Cathode Luminescence：ＣＬ）の発光ピーク波長を測定した結果を示している。ＣＬの測定はｍ軸方向と並行なラインに沿って行い、図３は溝部１０２の端部からａ軸方向に５μｍ離れた位置を通るラインに沿って測定を行った結果を示し、図４は溝部１０２の端部からａ軸方向に１００μｍ以上離れた位置を通るラインに沿って測定を行った結果を示している。
図４に示すように、溝部１０２と十分に間隔をおいた領域においては、ＣＬの発光ピーク波長が周期的に変化している。変化の大きさは１０ｎｍ程度であり、変化の周期は２５μｍ程度である。一方、図３に示すように、溝部１０２からａ軸方向に５μｍ程度の位置においては、ＣＬの発光ピーク波長の変化が他の領域よりも小さい領域が存在している。一方、図３に示すように溝部１０２とのａ軸方向の距離が５μｍの場合には、ＣＬの発光ピーク波長の変化が非常に小さい領域が存在している。具体的には、５０μｍ〜１３０μｍ領域においてＣＬの発光ピーク波長の変化は４ｎｍ以下である。この領域は、図２（ａ）に示した周期的な凹凸がほとんど認められない平坦領域とほぼ一致している。従って、図２（ａ）に示した平坦領域１０５に光導波路を形成することにより、平坦性に優れた光導波路が得られるだけでなく、活性層のバンドギャップエネルギーのばらつきも小さく抑えることができる。
以下の実施形態において半導体レーザ装置の構成についてさらに詳細に説明する。
（一実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面構成を示し、（ｃ）は共振器端面における断面構成を示している。
図５に示すように本実施形態の半導体レーザ装置は、ｍ軸方向に延びる溝部１１ａを有する基板１１の上に形成された半導体層積層体２０を備えている。基板１１は、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ等を用いればよい。溝部１１ａは、例えば次のようにして形成すればよい。基板１１の上に、ＳｉＨ4を用いた熱ＣＶＤ法等により厚さが０．６μｍのＳｉＯ2膜を成膜した後、フォトリソグラフィによりＳｉＯ2膜を選択的に除去して、ｍ軸方向に沿ったストライプ状の開口部を形成する。続いて、４フッ化炭素（ＣＦ4）を用いた誘導結合プラズマ（Inductive Coupled Plasma：ＩＣＰ）エッチング装置により、基板１１の露出分を２μｍの深さまでエッチングする。溝部１１ａは、例えばａ軸方向の幅を２０μｍとすればよい。溝部１１ａのｍ軸方向の長さは、光を出射する前方端面から、反対側の後方端面に達するように形成すればよい。なお、前方端面とは、２つの共振器端面のうち光出力が大きい端面であり、後方端面とは前方端面とは反対側の前方端面よりも光出力が小さい端面である。
半導体層積層体２０は、基板１１側から順次形成された、ｎ型クラッド層２２、ｎ型ガイド層２４、活性層２６、ｐ型ガイド層２８、オーバーフロー層３０、ｐ型クラッド層３２及びコンタクト層３４を含む。ｎ型クラッド層２２は、厚さが２μｍのｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとすればよい。ｎ型ガイド層２４は、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮ層とすればよい。活性層２６は、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とを３周期積層した量子井戸活性層とすればよい。ｐ型ガイド層２８は、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮ層とすればよい。オーバーフロー層（ＯＦＳ層）３０は、厚さが１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層とすればよい。ｐ型クラッド層３２は、厚さが１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層と厚さが１．５μｍのＧａＮ層とを１６０周期積層した、厚さ０．４８μｍの歪超格子層とすればよい。ｐ型クラッド層３２は一部が除去されｍ軸方向に延びるストライプ状のリッジ部２０ａが形成されており、コンタクト層３４はリッジ部２０ａの上に形成されている。
半導体層積層体２０は、例えば有機金属気層成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）により形成すればよい。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。また、ＭＯＣＶＤ法に代えて、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）法等の窒化物半導体が成長可能な成長方法を用いてもよい。
半導体層積層体２０は、溝部１１ａの上に形成された第１の領域２０Ａと、第１の領域よりも高さが高い第２の領域２０Ｂとを有している。第１の領域２０Ａと第２の領域２０Ｂとの間には、ａ軸方向に高さが変化する傾斜部があり、傾斜部を含む部分にはｍ軸方向の高さの変化がほとんどない平坦領域２０Ｃが形成されている。なお、図５においては、第１の領域２０Ａと傾斜部との境界を明瞭に図示しているが、溝部１１ａの幅によっては第１の領域２０Ａと傾斜部とが一体化している場合もある。また、第２の領域２０Ｂを平坦な領域として図示しているが、先に述べたように、第２の領域２０Ｂは周期的な凹凸を有している。さらに、図５においては第１の領域２０Ａの両側に等しい大きさの平坦領域２０Ｃが形成されているが、半導体層積層体２０の結晶方向によっては、第１の領域２０Ａの左右で平坦領域２０Ｃの大きさが異なる場合もある。また、平坦領域２０Ｃが傾斜部以外の部分を含んでいる場合もある。また、第２の領域２０Ｂが傾斜部の一部を含む場合もある。
リッジ部２０ａは、平坦領域２０Ｃに形成する。リッジ部２０ａを形成する位置は、溝部１１ａの形状、溝部の方向等によって適宜決定すればよい。但し、溝部１１ａに近すぎると、ａ軸方向の傾斜が大きくなるため、溝部１１ａの端部とリッジ部２０ａの中央線との間隔を１μｍ程度とすることが好ましく、さらに好ましくは２μｍ以上とする。また、溝部１１ａの端部との間隔が大きすぎると、平坦化が十分ではなくなるため、間隔を１５μｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは１０μｍ以下とする。本実施形態においては、５μｍとした。
リッジ部２０ａは、次のようにして形成すればよい。ｐ型コンタクト層３４の成長が終了した後、ｐ型コンタクト層３４の上に、厚さが０．３μｍのＳｉＯ2膜を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、ＳｉＯ2膜に幅が１．５μｍのストライプ状の開口部を形成する。開口部は、ｍ軸と平行に形成する。続いて、ＳｉＯ2膜をマスクとしてｐ型コンタクト層３４及びｐ型クラッド層３２の一部を除去する。
半導体層積層体２０における、リッジ部２０ａの上を除く部分には、厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2からなる絶縁膜（パッシベーション膜）３６が形成されている。絶縁膜３６は次のようにして形成すればよい。まず、リッジ部２０ａを形成した後、熱ＣＶＤ法等によりリッジ部２０ａの上面を含む半導体層積層体２０上の全面にＳｉＯ2膜を形成する。次に、リッジ部２０ａの上面に幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。続いて、レジストパターンをマスクとして三フッ化メタン（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ＳｉＯ2膜を選択的にエッチングしてコンタクト層３４を露出する。
リッジ部２０ａの上には、コンタクト層３４と接して厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極３８が形成されている。ｐ側電極３８は、電子ビーム（Electron Beam：ＥＢ）蒸着法とリフトオフ法とにより形成すればよい。
ｐ側電極３８の上には、厚さがそれぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１０μｍのチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）が積層されたパッド電極４０が形成されている。共振器を劈開する際に、配線電極が劈開線を跨いでいると、配線電極に密着したｐ側電極及びコンタクト層が剥がれるおそれがある。このため、パッド電極４０は共振器の端面及び側面と間隔をおいて形成されていることが好ましく、例えばリッジ部２０ａと平行な方向の長さが５００μｍとし、リッジ部２０ａと交差する方向の幅が１５０μｍとすればよい。パッド電極４０は、まず、ＥＢ蒸着法とリフトオフ法とを用いて、厚さがそれぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層膜を形成した後、電界めっき法によりＡｕ層の厚さを１０μｍ程度まで厚くすればよい。Ａｕ層の厚さを厚くすることにより、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、活性層２６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。
基板１１の半導体層積層体２０と反対側の面（裏面）には、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕが積層されたｎ側電極４２が形成されている。ｎ側電極４２は、パッド電極４０を形成した後、基板１１を裏面からダイヤモンドスラリにより研磨し、基板１１の厚さを１００μｍ程度まで薄くした後、ＥＢ蒸着法により形成すればよい。
本実施形態においては、ｍ軸方向の長さが６００μｍとなるようにｍ面に沿って１次劈開をした。また、２次劈開はａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面に沿って行った。
本実施形態においては、溝部１１ａを有する基板１１の上に半導体層積層体２０を形成することにより、溝部１１ａの側方に溝部１１ａと並行した方向の高さの変化がほとんどない平坦領域２０Ｃを形成した。平坦領域２０Ｃにストライプ状のリッジ部２０ａを形成することにより、光導波路の平坦性を向上できる。これにより、単峰性のＦＦＰ形状を示す半導体レーザ装置を実現できる。平坦領域２０ＣにおけるＲＭＳは１０ｎｍ以下であることが好ましいが、ＲＭＳが２０ｎｍ以下であれば単峰性のＦＦＰ形状を示す半導体レーザ装置が実現できる。
光導波路は、一般にはレーザ光が分布する領域全体を指す。例えばリッジストライプ形レーザ装置においては、リッジ部だけでなく、リッジ部側方のレーザ光が分布する領域を含む。しかし、半導体レーザ装置のＦＦＰ形状の改善と、活性層のバンドギャップエネルギーの均一性とを向上させるためには、必ずしも光導波路全体が平坦性が高い平坦領域に形成されていなくてよい。従って、少なくともリッジストライプ型の半導体レーザ装置においては、リッジ部が平坦領域に形成されていればよい。
半導体層積層体２０に平坦領域２０Ｃを形成するためには、必ずしも基板１１に溝部１１ａが形成されている必要はなく、高さが互いに異なる２つの領域が形成されていればよい。例えば、図６に示すように溝部１１ａに代えてストライプ状の凸部１１ｂを形成すれば、凸部１１ｂの側方に平坦領域２０Ｃを形成することができる。
凸部１１ｂを有する基板１１は以下のようにして形成すればよい。まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板１１の上に、例えば原料にＳｉＨ4を用いた熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2を６００ｎｍ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、ａ軸方向の長さは２０μｍとなるように、ｍ軸方向にストライプ状に除去する。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１１の上部をエッチングする。これにより、基板１１に高さが２μｍの凸部１１ｂが形成できる。
溝部１１ａ及び凸部１１ｂのａ軸方向の幅は、約２０μｍとしたが、２μｍ以上あればよい。幅を大きくすると形成が困難となるため２００μｍ以下とすればよく、１００μｍ以下が好ましい。但し、溝部１１ａ及び凸部１１ｂの体積が大きい方が平坦領域２０Ｃの形成が容易となるという効果が得られるため、溝部１１ａ及び凸部１１ｂの幅をさらに大きくしてもよい。最終的には、図７又は８に示すように、溝部又は凸部を拡張して高さが互いに異なる第１の領域１１Ａと第２の領域１１Ｂとを有する基板１１の上に半導体層積層体２０を形成してもよい。
溝部１１ａ及び凸部１１ｂは、前方端面から後方端面まで形成すればよい。但し、前方端面及び後方端面の近傍に溝部１１ａ又は凸部１１ｂが形成されていない部分があっても問題ない。
溝部１１ａの深さ及び凸部１１ｂの高さは、約０．１μｍ以上あれば十分である。溝部１１ａの深さ及び凸部１１ｂの高さを高くすると形成が困難となるため、１０μｍ以下とすることが好ましい。
さらに、溝部又は凸部を有する基板の上に半導体層積層体を形成するのではなく、平坦な基板の上に半導体層積層体の一部を形成した後、半導体層積層体に溝部又は凸部を形成し、続いて半導体層積層体を再成長してもよい。この場合には、基板の上にまず少なくとも１つの半導体層を形成した後、エッチング等により溝部又は凸部を形成し、さらに活性層を含む半導体層を再成長により形成すればよい。溝部の深さ又は凸部の高さは、０．０１μｍ以上あれば十分である。また、あまり大きな高低差を形成することは困難であるため、溝部の深さ又は凸部の高さは５μｍ以下とすることが好ましい。
本実施形態においては、基板の主面がｃ面であり、光導波路がｍ軸方向に形成されている例を示した。しかし、他の面方位の基板の上に半導体層積層体を形成してもよい。また、光導波路の方向も他の方位としてかまわない。
また、基板に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板又はＡｌＧａＮ基板等）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）等を用いてもよい。
本実施形態は、リッジ部を有するリッジストライプ型の半導体レーザ装置について説明した。しかし、埋め込み型の半導体レーザ装置においても同様の効果が得られる。この場合には、電流ブロック層の開口部が平坦領域に位置するようにすればよい。このようにすれば、光導波路を平坦領域に形成できる。
例示の半導体レーザ装置は、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現でき、窒化物半導体レーザ装置、特にレーザディスプレイ及び液晶のバックライト等に用いる窒化物半導体レーザ装置等として有用である。
１１ 基板
１１Ａ 第１の領域
１１Ｂ 第２の領域
１１ａ 溝部
１１ｂ 凸部
２０ 半導体層積層体
２０Ａ 第１の領域
２０Ｂ 第２の領域
２０Ｃ 平坦領域
２０ａ リッジ部
２２ ｎ型クラッド層
２４ ｎ型ガイド層
２６ 活性層
２８ ｐ型ガイド層
３０ オーバーフロー層
３２ ｐ型クラッド層
３４ ｐ型コンタクト層
３４ コンタクト層
３６ 絶縁膜
３８ ｐ側電極
４０ パッド電極
４２ ｎ側電極
１０２ 溝部
１０４ 窒化物半導体層
１０５ 平坦領域
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。
小型、安価、高出力等の優れた特徴をもつため、半導体レーザ装置が、通信及び光ディスク等のＩＴ技術をはじめ、医療及び照明等の幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に、ブルーレイディスク用の波長が４０５ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体レーザ装置の開発が精力的に進められている。また、レーザディスプレイ及び液晶のバックライト等に用いる、ＧａＮ系半導体を用いた波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ装置の開発が進められている。
放射ビーム形状が複数のピークをもつと、ディスク用途では意図しない箇所への書き込等が生じるおそれがある。また、ディスプレイやバックライト用途では、出射したレーザ光を整形する光学系が複雑になり、コスト増の原因となる。このため、ＧａＮ系の半導体レーザ装置には、遠視野像（Far Field Pattern：ＦＦＰ）が単峰性の出射ビーム形状が求められている。
光導波路の平坦性が低く、光導波路内を導波するレーザ光に散乱を生じる周期の凹凸が存在すると、散乱を受けたレーザ光の一部は共振器の内部で吸収される。また、散乱されたレーザ光の一部は基板側に放射される。散乱により光損失が生じるため、レーザ装置の効率が低下する。また、基板側に放射された光は、基板モードと呼ばれる、本来の導波モードとは異なるモードで導波する。この光が外部に放射されると、出射ビームのＦＦＰにリップルとしてあらわれ、単峰性が損なわれる。このため、ＦＦＰが単峰性の半導体レーザ装置を実現するためには、光導波路の平坦化が重要となる。
一方、ＧａＮ系半導体レーザでは、ディスク用途では高速書き込み及び多層記録のために高効率化（高出力化）が求められている。また、ディスプレイ及びバックライト用途では高輝度化のための高効率化（高出力）が求められている。
活性層のＥｇが共振器の光利得領域において一定値をとらずにばらつくと、レーザ光の生成に寄与する活性層の実効的な体積が減少する。活性層の堆積の減少は、活性層利得を減少させるためレーザ装置の効率を低下させる。このため、高効率の半導体レーザ装置ｗ実現するためには活性層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を光利得領域において十分均一に保つ必要がある。
光導波路を平坦化するために、基板のオフ角度を制御する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。例えば、基板のオフ角度を０．２°から１．０°とすることにより、基板の上に形成する半導体層を平坦化し、光導波路を平坦化することができる。
特許第３８１６９４２号明細書
本願発明者は、基板のオフ角度を制御することにより、積層構造表面の平坦性を向上させることができるだけでなく、活性層のＥｇのばらつきを低減することも可能であるという知見を得た。しかしながら、基板にオフ角を設けることにより、光導波路を平坦化すると共に活性層のＥｇを均一とする場合には、基板のコストが上昇してしまうという問題がある。また、基板の面内にオフ角度の分布があるため、基板の特定の部位しか用いることができない。このため、一枚のウェハから得られる半導体レーザ装置の数が大きく低下してしまう。
本開示は前記の問題を解決し、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現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、例示の半導体レーザ装置を、段差の上に半導体層を形成し、光導波路を段差の近傍の平坦領域に形成する構成とする。
具体的に、例示の半導体レーザ装置は、基板の上に形成された活性層を含む半導体層積層体を備え、半導体層積層体は、光を出射する前方端面と、前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状の光導波路と、前方端面と交差する方向に延びる第１の領域と、第１の領域と上面の高さが異なる第２の領域と、第１の領域と第２の領域との間に形成され、第２の領域と比べて表面における周期的な凹凸の変化が小さい平坦領域とを有し、光導波路は、平坦領域に形成されていることを特徴とする。
例示の半導体レーザ装置は、光導波路が平坦領域に形成されているため、光導波路の平坦性を向上させることができる。このため、レーザビームの遠視野像（ＦＦＰ）にリップルが生じにくくなり、単峰性により近いＦＦＰを実現できる。さらに、活性層におけるバンドギャップエネルギーのばらつきを低減できるため、半導体レーザ装置の効率を向上させることが可能となる。
例示の半導体レーザ装置において、平坦領域は前方端面と交差する方向において、高さの変化が第２の領域と比べて小さい構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状のリッジ部を有し、リッジ部は、平坦領域に形成されている構成としてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、基板は上面の高さが互いに異なる２つの領域を有し、第１の領域は２つの領域の一方の上に形成され、第２の領域は２つの領域の他方の上に形成されている構成としてもよい。
この場合において、２つの領域の一方が溝部であり、第１の領域が溝部の上に形成されていてもよく、２つの領域の一方がストライプ状の凸部であり、第１の領域が凸部の上に形成されていてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、２つの領域の境界とリッジ部との間隔は１μｍ以上且つ１５μｍ以下とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、活性層におけるリッジ部の下に形成された部分は、活性層の他の部分と比べてバンドギャップエネルギーのばらつきが小さい構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体における、光導波路が形成された領域の上面は、二乗平均粗さが２０ｎｍ以下である構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、窒化物半導体からなり、光導波路は、窒化物半導体のｍ軸に沿った方向に形成されている構成とすればよい。
例示の半導体レーザ装置において、活性層は、インジウムを含む構成としてもよい。
例示の半導体レーザ装置において、平坦領域は、前方端面から、該前方端面と反対側の後方端面まで連続して形成されていることが好ましい。
例示の半導体レーザ装置によれば、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現できる。
溝部を有する基板の上に形成した半導体層の表面形状の測定結果である。 （ａ）及び（ｂ）は図１に示す半導体層の表面形状を数値化したグラフであり、（ａ）は図１のIIａ−IIａ線におけるグラフであり、（ｂ）は図１のIIｂ−IIｂ線におけるグラフである。 溝部を有する基板の上に形成した活性層において、溝部の近傍においてカソードルミネッセンスの発光波長を測定した結果である。 溝部を有する基板の上に形成した活性層において、溝部から離れた部分においてカソードルミネッセンスの発光波長を測定した結果である。 （ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面図であり、（ｃ）は共振器端面における断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。
まず、本願発明者が見出した基板の上に形成された光導波路を平坦化すると共に活性層のバンドギャップエネルギーを均一化する方法について図面を参照して説明する。図１は、溝部１０２を有する基板の上に成長した窒化物半導体層１０４の表面形状をレーザ干渉計式形状測定機（Ｚｙｇｏ社製ＰＴＩ２５０）を用いて測定した結果を示している。各図において、六方晶ＧａＮ系結晶の面方位を、ｃ、ａ、ｍの符号により示す。ｃは（０００１）面と等価な面及びその法線ベクトルであるｃ軸を示している。ａは（１１−２０）面と等価な面及びその法線ベクトルであるａ軸を示している。ｍは（１−１００）面と等価な面及びその法線ベクトルであるｍ軸を示している。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、負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
図１に示すように、ｍ軸方向の長さが１００μｍであり、ａ軸方向の幅が２０μであり、ｃ軸方向の深さが２μｍの溝部１０２が形成された基板の上に厚さが２μｍの窒化物半導体層１０４が形成されている。窒化物半導体層１０４は、溝部１０２の形状を反映した凹部を有している。図２に凹部の形状をさらに詳細に検討した結果を示す。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１のIIａ−IIａ線及びIIｂ−IIｂ線における窒化物半導体層１０４の高さの変化を示している。図２において、窒化物半導体層１０４の高さは、最も低い部分の高さを０として相対的に示している。また、図２（ａ）は、溝部１０２の端部から５μｍの位置について測定している。
図２（ａ）に示すように、凹部のｍ軸方向の断面を見ると、窒化物半導体層１０４の溝部１０２の側方に形成された部分は、他の部分よりも高さが０．２μｍ程度低くなっている。また、溝部１０２の側方以外の領域に形成された部分には、高さの周期的な変化が観察された。変化の大きさは０．０２μｍ〜０．０４μｍ程度であり、変化の周期は２０μｍ〜２５μｍ程度であった。一方、溝部１０２の側方に形成された部分にはこのような周期的な高さの変化がほとんど認められない平坦領域１０５が存在していた。平坦領域１０５は、ｍ軸方向においては高さの差がほとんど０であり、平坦領域１０５以外の領域と比べて高さの変化が小さい。平坦領域１０５における二乗平均粗さ（ＲＭＳ）を測定したところ１０ｎｍ以下であった。
図２（ａ）に示すように、凹部のａ軸方向の断面を見ると、溝部１０２の端部から５μｍ程度の位置においては、窒化物半導体層１０４の高さは２０μｍで０．１μｍ程度高くなる傾斜を有している。図２（ａ）において溝部１０２の一方の側方は傾斜が急であり、他方の側方は傾斜が緩やかであるが、これは窒化物半導体層１０４の結晶の異方性によるものである。つまり、溝部１０２のａ軸方向の側方には、溝部１０２と並行してａ軸方向には高さが変化しているが、ｍ軸方向にはほとんど高さが変化していない平坦領域１０５が形成されている。
溝部１０２のａ軸方向の側方に形成され、ｍ軸方向には高さがほとんど変化しない平坦領域１０５に、ｍ軸方向に沿った光導波路を形成すれば、非常に平坦な光導波路が実現できる。これにより、単峰性のＦＦＰ形状を有する半導体レーザ装置が実現できる。
平坦領域１０５は、ａ軸方向には傾斜を有しているが、リッジ部のａ軸方向の幅は通常１μｍ〜２μｍ程度である。従って、リッジ部におけるａ軸方向の高さの変化は０．０１μｍ程度の単調変化であり、ａ軸方向の傾斜が問題となることはない。また、平坦領域はａ軸方向に傾斜を有する部分にのみ形成されるわけではなく、半導体層の形成条件によっては、ａ軸方向の傾斜もほとんどない平坦領域１０５を形成することも可能である。
図２（ｂ）においては、平坦領域１０５のｍ軸方向の長さは４０μｍ程度である。しかし、平坦領域１０５の長さは、溝部１０２の長さによって決まる。従って、溝部１０２の長さを長くすれば平坦領域１０５の長さを長くすることができ、共振器長が大きい半導体レーザ装置を形成することも容易にできる。
図３及び４は、窒化物半導体層１０４を活性層とし、活性層のバンドギャップエネルギーの指標であるカソードルミネセンス（Cathode Luminescence：ＣＬ）の発光ピーク波長を測定した結果を示している。ＣＬの測定はｍ軸方向と並行なラインに沿って行い、図３は溝部１０２の端部からａ軸方向に５μｍ離れた位置を通るラインに沿って測定を行った結果を示し、図４は溝部１０２の端部からａ軸方向に１００μｍ以上離れた位置を通るラインに沿って測定を行った結果を示している。
図４に示すように、溝部１０２と十分に間隔をおいた領域においては、ＣＬの発光ピーク波長が周期的に変化している。変化の大きさは１０ｎｍ程度であり、変化の周期は２５μｍ程度である。一方、図３に示すように、溝部１０２からａ軸方向に５μｍ程度の位置においては、ＣＬの発光ピーク波長の変化が他の領域よりも小さい領域が存在している。一方、図３に示すように溝部１０２とのａ軸方向の距離が５μｍの場合には、ＣＬの発光ピーク波長の変化が非常に小さい領域が存在している。具体的には、５０μｍ〜１３０μｍ領域においてＣＬの発光ピーク波長の変化は４ｎｍ以下である。この領域は、図２（ａ）に示した周期的な凹凸がほとんど認められない平坦領域とほぼ一致している。従って、図２（ａ）に示した平坦領域１０５に光導波路を形成することにより、平坦性に優れた光導波路が得られるだけでなく、活性層のバンドギャップエネルギーのばらつきも小さく抑えることができる。
以下の実施形態において半導体レーザ装置の構成についてさらに詳細に説明する。
（一実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面構成を示し、（ｃ）は共振器端面における断面構成を示している。
図５に示すように本実施形態の半導体レーザ装置は、ｍ軸方向に延びる溝部１１ａを有する基板１１の上に形成された半導体層積層体２０を備えている。基板１１は、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ等を用いればよい。溝部１１ａは、例えば次のようにして形成すればよい。基板１１の上に、ＳｉＨ4を用いた熱ＣＶＤ法等により厚さが０．６μｍのＳｉＯ2膜を成膜した後、フォトリソグラフィによりＳｉＯ2膜を選択的に除去して、ｍ軸方向に沿ったストライプ状の開口部を形成する。続いて、４フッ化炭素（ＣＦ4）を用いた誘導結合プラズマ（Inductive Coupled Plasma：ＩＣＰ）エッチング装置により、基板１１の露出分を２μｍの深さまでエッチングする。溝部１１ａは、例えばａ軸方向の幅を２０μｍとすればよい。溝部１１ａのｍ軸方向の長さは、光を出射する前方端面から、反対側の後方端面に達するように形成すればよい。なお、前方端面とは、２つの共振器端面のうち光出力が大きい端面であり、後方端面とは前方端面とは反対側の前方端面よりも光出力が小さい端面である。
半導体層積層体２０は、基板１１側から順次形成された、ｎ型クラッド層２２、ｎ型ガイド層２４、活性層２６、ｐ型ガイド層２８、オーバーフロー層３０、ｐ型クラッド層３２及びコンタクト層３４を含む。ｎ型クラッド層２２は、厚さが２μｍのｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとすればよい。ｎ型ガイド層２４は、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮ層とすればよい。活性層２６は、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とを３周期積層した量子井戸活性層とすればよい。ｐ型ガイド層２８は、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮ層とすればよい。オーバーフロー層（ＯＦＳ層）３０は、厚さが１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層とすればよい。ｐ型クラッド層３２は、厚さが１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層と厚さが１．５μｍのＧａＮ層とを１６０周期積層した、厚さ０．４８μｍの歪超格子層とすればよい。ｐ型クラッド層３２は一部が除去されｍ軸方向に延びるストライプ状のリッジ部２０ａが形成されており、コンタクト層３４はリッジ部２０ａの上に形成されている。
半導体層積層体２０は、例えば有機金属気層成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）により形成すればよい。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。また、ＭＯＣＶＤ法に代えて、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）法等の窒化物半導体が成長可能な成長方法を用いてもよい。
半導体層積層体２０は、溝部１１ａの上に形成された第１の領域２０Ａと、第１の領域よりも高さが高い第２の領域２０Ｂとを有している。第１の領域２０Ａと第２の領域２０Ｂとの間には、ａ軸方向に高さが変化する傾斜部があり、傾斜部を含む部分にはｍ軸方向の高さの変化がほとんどない平坦領域２０Ｃが形成されている。なお、図５においては、第１の領域２０Ａと傾斜部との境界を明瞭に図示しているが、溝部１１ａの幅によっては第１の領域２０Ａと傾斜部とが一体化している場合もある。また、第２の領域２０Ｂを平坦な領域として図示しているが、先に述べたように、第２の領域２０Ｂは周期的な凹凸を有している。さらに、図５においては第１の領域２０Ａの両側に等しい大きさの平坦領域２０Ｃが形成されているが、半導体層積層体２０の結晶方向によっては、第１の領域２０Ａの左右で平坦領域２０Ｃの大きさが異なる場合もある。また、平坦領域２０Ｃが傾斜部以外の部分を含んでいる場合もある。また、第２の領域２０Ｂが傾斜部の一部を含む場合もある。
リッジ部２０ａは、平坦領域２０Ｃに形成する。リッジ部２０ａを形成する位置は、溝部１１ａの形状、溝部の方向等によって適宜決定すればよい。但し、溝部１１ａに近すぎると、ａ軸方向の傾斜が大きくなるため、溝部１１ａの端部とリッジ部２０ａの中央線との間隔を１μｍ程度とすることが好ましく、さらに好ましくは２μｍ以上とする。また、溝部１１ａの端部との間隔が大きすぎると、平坦化が十分ではなくなるため、間隔を１５μｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは１０μｍ以下とする。本実施形態においては、５μｍとした。
リッジ部２０ａは、次のようにして形成すればよい。ｐ型コンタクト層３４の成長が終了した後、ｐ型コンタクト層３４の上に、厚さが０．３μｍのＳｉＯ2膜を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、ＳｉＯ2膜に幅が１．５μｍのストライプ状の開口部を形成する。開口部は、ｍ軸と平行に形成する。続いて、ＳｉＯ2膜をマスクとしてｐ型コンタクト層３４及びｐ型クラッド層３２の一部を除去する。
半導体層積層体２０における、リッジ部２０ａの上を除く部分には、厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2からなる絶縁膜（パッシベーション膜）３６が形成されている。絶縁膜３６は次のようにして形成すればよい。まず、リッジ部２０ａを形成した後、熱ＣＶＤ法等によりリッジ部２０ａの上面を含む半導体層積層体２０上の全面にＳｉＯ2膜を形成する。次に、リッジ部２０ａの上面に幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。続いて、レジストパターンをマスクとして三フッ化メタン（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ＳｉＯ2膜を選択的にエッチングしてコンタクト層３４を露出する。
リッジ部２０ａの上には、コンタクト層３４と接して厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ側電極３８が形成されている。ｐ側電極３８は、電子ビーム（Electron Beam：ＥＢ）蒸着法とリフトオフ法とにより形成すればよい。
ｐ側電極３８の上には、厚さがそれぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１０μｍのチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）が積層されたパッド電極４０が形成されている。共振器を劈開する際に、配線電極が劈開線を跨いでいると、配線電極に密着したｐ側電極及びコンタクト層が剥がれるおそれがある。このため、パッド電極４０は共振器の端面及び側面と間隔をおいて形成されていることが好ましく、例えばリッジ部２０ａと平行な方向の長さが５００μｍとし、リッジ部２０ａと交差する方向の幅が１５０μｍとすればよい。パッド電極４０は、まず、ＥＢ蒸着法とリフトオフ法とを用いて、厚さがそれぞれ５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層膜を形成した後、電界めっき法によりＡｕ層の厚さを１０μｍ程度まで厚くすればよい。Ａｕ層の厚さを厚くすることにより、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、活性層２６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。
基板１１の半導体層積層体２０と反対側の面（裏面）には、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕが積層されたｎ側電極４２が形成されている。ｎ側電極４２は、パッド電極４０を形成した後、基板１１を裏面からダイヤモンドスラリにより研磨し、基板１１の厚さを１００μｍ程度まで薄くした後、ＥＢ蒸着法により形成すればよい。
本実施形態においては、ｍ軸方向の長さが６００μｍとなるようにｍ面に沿って１次劈開をした。また、２次劈開はａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面に沿って行った。
本実施形態においては、溝部１１ａを有する基板１１の上に半導体層積層体２０を形成することにより、溝部１１ａの側方に溝部１１ａと並行した方向の高さの変化がほとんどない平坦領域２０Ｃを形成した。平坦領域２０Ｃにストライプ状のリッジ部２０ａを形成することにより、光導波路の平坦性を向上できる。これにより、単峰性のＦＦＰ形状を示す半導体レーザ装置を実現できる。平坦領域２０ＣにおけるＲＭＳは１０ｎｍ以下であることが好ましいが、ＲＭＳが２０ｎｍ以下であれば単峰性のＦＦＰ形状を示す半導体レーザ装置が実現できる。
光導波路は、一般にはレーザ光が分布する領域全体を指す。例えばリッジストライプ形レーザ装置においては、リッジ部だけでなく、リッジ部側方のレーザ光が分布する領域を含む。しかし、半導体レーザ装置のＦＦＰ形状の改善と、活性層のバンドギャップエネルギーの均一性とを向上させるためには、必ずしも光導波路全体が平坦性が高い平坦領域に形成されていなくてよい。従って、少なくともリッジストライプ型の半導体レーザ装置においては、リッジ部が平坦領域に形成されていればよい。
半導体層積層体２０に平坦領域２０Ｃを形成するためには、必ずしも基板１１に溝部１１ａが形成されている必要はなく、高さが互いに異なる２つの領域が形成されていればよい。例えば、図６に示すように溝部１１ａに代えてストライプ状の凸部１１ｂを形成すれば、凸部１１ｂの側方に平坦領域２０Ｃを形成することができる。
凸部１１ｂを有する基板１１は以下のようにして形成すればよい。まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板１１の上に、例えば原料にＳｉＨ4を用いた熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2を６００ｎｍ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、ａ軸方向の長さは２０μｍとなるように、ｍ軸方向にストライプ状に除去する。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１１の上部をエッチングする。これにより、基板１１に高さが２μｍの凸部１１ｂが形成できる。
溝部１１ａ及び凸部１１ｂのａ軸方向の幅は、約２０μｍとしたが、２μｍ以上あればよい。幅を大きくすると形成が困難となるため２００μｍ以下とすればよく、１００μｍ以下が好ましい。但し、溝部１１ａ及び凸部１１ｂの体積が大きい方が平坦領域２０Ｃの形成が容易となるという効果が得られるため、溝部１１ａ及び凸部１１ｂの幅をさらに大きくしてもよい。最終的には、図７又は８に示すように、溝部又は凸部を拡張して高さが互いに異なる第１の領域１１Ａと第２の領域１１Ｂとを有する基板１１の上に半導体層積層体２０を形成してもよい。
溝部１１ａ及び凸部１１ｂは、前方端面から後方端面まで形成すればよい。但し、前方端面及び後方端面の近傍に溝部１１ａ又は凸部１１ｂが形成されていない部分があっても問題ない。
溝部１１ａの深さ及び凸部１１ｂの高さは、約０．１μｍ以上あれば十分である。溝部１１ａの深さ及び凸部１１ｂの高さを高くすると形成が困難となるため、１０μｍ以下とすることが好ましい。
さらに、溝部又は凸部を有する基板の上に半導体層積層体を形成するのではなく、平坦な基板の上に半導体層積層体の一部を形成した後、半導体層積層体に溝部又は凸部を形成し、続いて半導体層積層体を再成長してもよい。この場合には、基板の上にまず少なくとも１つの半導体層を形成した後、エッチング等により溝部又は凸部を形成し、さらに活性層を含む半導体層を再成長により形成すればよい。溝部の深さ又は凸部の高さは、０．０１μｍ以上あれば十分である。また、あまり大きな高低差を形成することは困難であるため、溝部の深さ又は凸部の高さは５μｍ以下とすることが好ましい。
本実施形態においては、基板の主面がｃ面であり、光導波路がｍ軸方向に形成されている例を示した。しかし、他の面方位の基板の上に半導体層積層体を形成してもよい。また、光導波路の方向も他の方位としてかまわない。
また、基板に、六方晶系に属するＧａＮ系基板（ＧａＮ基板又はＡｌＧａＮ基板等）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）等を用いてもよい。
本実施形態は、リッジ部を有するリッジストライプ型の半導体レーザ装置について説明した。しかし、埋め込み型の半導体レーザ装置においても同様の効果が得られる。この場合には、電流ブロック層の開口部が平坦領域に位置するようにすればよい。このようにすれば、光導波路を平坦領域に形成できる。
例示の半導体レーザ装置は、基板のオフ角を制御することなく平坦化された光導波路及びバンドギャップエネルギーが均一な活性層を有する半導体レーザ装置を実現でき、窒化物半導体レーザ装置、特にレーザディスプレイ及び液晶のバックライト等に用いる窒化物半導体レーザ装置等として有用である。
１１ 基板
１１Ａ 第１の領域
１１Ｂ 第２の領域
１１ａ 溝部
１１ｂ 凸部
２０ 半導体層積層体
２０Ａ 第１の領域
２０Ｂ 第２の領域
２０Ｃ 平坦領域
２０ａ リッジ部
２２ ｎ型クラッド層
２４ ｎ型ガイド層
２６ 活性層
２８ ｐ型ガイド層
３０ オーバーフロー層
３２ ｐ型クラッド層
３４ ｐ型コンタクト層
３４ コンタクト層
３６ 絶縁膜
３８ ｐ側電極
４０ パッド電極
４２ ｎ側電極
１０２ 溝部
１０４ 窒化物半導体層
１０５ 平坦領域

Claims (12)

  1. 半導体レーザ装置は、
    基板の上に形成された活性層を含む半導体層積層体を備え、
    前記半導体層積層体は、
    光を出射する前方端面と、
    前記前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状の光導波路と、
    前記前方端面と交差する方向に延びる第１の領域と、
    前記第１の領域と上面の高さが異なる第２の領域と、
    前記第１の領域と前記第２の領域との間に形成され、前記第２の領域と比べて表面における周期的な凹凸の変化が小さい平坦領域とを有し、
    前記光導波路は、前記平坦領域に形成されている。
  2. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記平坦領域は、前記光導波路に沿った方向において、高さの変化が前記第２の領域と比べて小さい。
  3. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記半導体層積層体は、前記前方端面と交差する方向に形成されたストライプ状のリッジ部を有し、
    前記リッジ部は、前記平坦領域に形成されている。
  4. 請求項３に記載の半導体レーザ装置において、
    前記基板は、上面の高さが互いに異なる２つの領域を有し、
    前記第１の領域は前記２つの領域の一方の上に形成され、前記第２の領域は前記２つの領域の他方の上に形成されている。
  5. 請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
    前記２つの領域の一方は、溝部であり、
    前記第１の領域は、前記溝部の上に形成されている。
  6. 請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
    前記２つの領域の一方は、ストライプ状の凸部であり、
    前記第１の領域は、前記凸部の上に形成されている。
  7. 請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
    前記リッジ部の中央から前記２つの領域の境界までの距離は１μｍ以上且つ１５μｍ以下である。
  8. 請求項３に記載の半導体レーザ装置において、
    前記活性層における前記リッジ部の下に形成された部分は、前記活性層の他の部分と比べてバンドギャップエネルギーのばらつきが小さい。
  9. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記半導体層積層体における、前記光導波路が形成された領域の上面は、二乗平均粗さが２０ｎｍ以下である。
  10. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記半導体層積層体は、窒化物半導体からなり、
    前記光導波路は、前記窒化物半導体のｍ軸に沿った方向に形成されている。
  11. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記活性層は、インジウムを含む。
  12. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    前記平坦領域は、前記前方端面から、該前方端面と反対側の後方端面まで連続して形成されている。
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