JPWO2019130655A1 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

窒化物半導体レーザ素子（１００）は、第１クラッド層（１０２）と、第１光ガイド層（１２０）と、活性層（１３０）と、第２光ガイド層（１４０）と、第２クラッド層（１０５）と、を備え、活性層（１３０）は単一量子井戸構造を有し、第１光ガイド層（１２０）は活性層（１３０）に隣接した第１隣接層（１２０ａ）と活性層（１３０）から離れた第１離間層（１２０ｂ）と、を備え、第２光ガイド層（１４０）は活性層（１３０）に隣接した第２隣接層（１４０ａ）と活性層（１３０）から離れた第２離間層（１４０ｂ）と、を備え、第１光ガイド層（１２０）及び第２光ガイド層（１４０）は、屈折率が活性層（１３０）よりも小さいＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなり、第１隣接層（１２０ａ）は、第１離間層（１２０ｂ）よりＩｎ組成比率が大きく、第２隣接層（１４０ａ）は、第２離間層（１４０ｂ）よりＩｎ組成比率が大きい。

Description

本開示は、窒化物半導体レーザ素子に関する。

なお、本願は、平成28年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用GaN系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願である。

従来、窒化物半導体レーザ素子が様々な用途で使用されている。特に、照明及び加工用途では、消費電力を低減するために、発振閾値の低い窒化物半導体レーザ素子が求められている。発振閾値を低減するために、量子井戸層数を削減することが効果的であり、量子井戸層数を１とすることが最も効果的である（特許文献１参照）。

ところが、量子井戸層数を１にすると、光強度分布が広がり、量子井戸層と光とのオーバーラップ（光閉じ込め係数Γｖ）が低下する。光閉じ込め係数Γｖが低下すると、光の増幅効率が低下するため発振閾値が増大する。これにより、量子井戸層数を１にすることによる発振閾値の低減効果の少なくとも一部が相殺される。さらに、光強度分布が広がると、光吸収率が高いドーピングされたクラッド層、特に、Ｍｇがヘビードープされたｐ型クラッド層への光染み出しが増えるため、導波路損失αｉが増加する。これにより、スロープ効率が低下する。

光強度分布の広がりを抑制するために、特許文献２に記載された半導体レーザ素子においては、量子井戸層とクラッド層との間に配置されたＩｎＧａＮからなる光ガイド層のＩｎ組成比率を２％以上、６％以下とし、かつ、ｎ型クラッド層の膜厚をｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層の合計膜厚の６５％以上、８５％以下としている。このように、光ガイド層の屈折率を高めることで光を量子井戸層に集中させ、かつ、光強度分布をｎ型クラッド層側に寄せることで導波路損失αｉを低減しようとしている。

特開平１１−３４０５８０号公報 特開２０１３−１２５９９号公報

しかしながら、特許文献２に記載された半導体レーザ素子においては、光がｎ型クラッド層側に寄るため、屈折率が高い活性層及び光ガイド層に存在する光の割合が減る。これにより、屈折率導波構造を形成した場合、光導波領域と非導波領域との等価屈折率差が減少し、半導体レーザ素子における基本モードを導波路内に閉じ込めることができなくなるため、意図しない高次モードの発振が発生する。したがって、半導体レーザ素子の光出力が低下する。

本開示は、このような課題を解決するものであり、発振閾値及び導波路損失を低減し、さらに高次モードの発振を抑制することにより、光出力を増加させた窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様は、窒化物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第２光ガイド層と、前記第２光ガイド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第２導電型の第２クラッド層と、を備え、前記活性層は、単一の井戸層からなる単一量子井戸構造を有し、前記第１光ガイド層は、前記活性層に隣接した第１隣接層と、前記第１隣接層より前記活性層から離れた第１離間層と、を備え、前記第２光ガイド層は、前記活性層に隣接した第２隣接層と、前記第２隣接層より前記活性層から離れた第２離間層と、を備え、前記第１隣接層、前記第２隣接層、前記第１離間層及び前記第２離間層は、屈折率が前記活性層よりも小さいＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなり、前記第１隣接層は、前記第１離間層よりＩｎ組成比率が大きく、前記第２隣接層は、前記第２離間層よりＩｎ組成比率が大きい。

このように、単一量子井戸構造を有する半導体レーザ素子においては、量子井戸構造だけに着目すると、複数の量子井戸層を有する半導体レーザ素子より、原理的に発振閾値を低減し得る。一方、光強度分布に着目すると、単一量子井戸構造を有する半導体レーザ素子においては、屈折率が高い量子井戸層が少なくなるため、一般に光強度分布が広がり、光と活性層とのオーバーラップが減少し、発振閾値の低下を招き得る。しかしながら、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子は、活性層に隣接し屈折率が比較的高い第１隣接層及び第２隣接層を備えるため、多重量子井戸構造を有する比較例の窒化物半導体レーザ素子と同様の光強度分布を形成し得る。したがって、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子によれば、単一量子井戸構造による発振閾値の低減効果を最大限に発揮し得る。さらに、活性層に隣接する第１光ガイド層及び第２光ガイド層が、活性層に近付くにしたがって順に屈折率が高くなる構成を備えるため、光を活性層の近傍に閉じ込めることができる。したがって、窒化物半導体レーザ素子の導波路損失αｉ及び発振閾値を低減し、さらに、高次モードの発振を抑制することができる。よって、窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率及び光出力を増加させることができる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記第１隣接層及び前記第２隣接層のＩｎ組成比率は、１％以上、２．６％以下であってもよい。

これにより、窒化物半導体レーザ素子の光伝播領域における等価屈折率と、その外部の領域における等価屈折率との差を５×１０^−３程度以上にできるため、光を導波路内に閉じ込めることができる。これに伴い、光の横モードを安定化でき、かつ、導波路損失及び発振閾値電流密度をより一層低減できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記第１離間層及び前記第２離間層の各々は、前記活性層から離れるほどＩｎ組成比率が小さくなる複数の層を含んでもよい。

この場合、第１離間層及び第２離間層の各々は、活性層から離れるほど屈折率が低くなる複数の層を含む。これにより、第１光ガイド層及び第２光ガイド層の屈折率分布の形状を、理想的な光強度分布を得られる形状により一層近づけることが可能となる。したがって、導波路損失及び発振閾値をより一層低減できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記第１離間層及び前記第２離間層の少なくとも一方において、前記複数の層のうち、前記活性層から最も離れた層が、ＧａＮからなってもよい。

このように、活性層に隣接する位置にＩｎ組成比率が高い第１隣接層及び第２隣接層を配置し、第１光ガイド層及び第２光ガイド層のうち活性層から最も離れた位置にＩｎＧａＮより屈折率が低いＧａＮからなる層を配置することにより、光閉じ込め係数Γｖを増大させつつも、導波路損失αｉを低く保つことができる。これにより、発振閾値をより一層低減できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記第１離間層及び前記第２離間層の各々において、前記複数の層は、前記活性層から最も離れたＧａＮからなる層と、Ｉｎ組成比率が０より大きい二つ以上の層と、を含んでもよい。

このように、第１光ガイド層及び第２光ガイド層の各々が、活性層から離れるほど屈折率が低くなる三つ以上の層を含むため、第１光ガイド層及び第２光ガイド層の屈折率分布の形状を、理想的な光強度分布を得られる形状により一層近づけることが可能となる。また、第１光ガイド層及び第２光ガイド層のうち活性層から最も離れた位置にＩｎＧａＮより屈折率が低いＧａＮからなる層を配置することにより、光閉じ込め係数Γｖを増大させつつも、導波路損失αｉを低く保つことができる。これにより、発振閾値をより一層低減できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記活性層より前記第２クラッド層側には、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造が形成されており、前記第２離間層は、前記第１離間層よりも層数が多くてもよい。

このような光閉じ込め構造によって光を積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に閉じ込めることで、さらに発振閾値を低減できる。ここで、光閉じ込め構造を有する第２クラッド層側においては、光強度分布が広がる場合に、光閉じ込め構造によって光の損失が発生するおそれがある。しかしながら、第２クラッド層側に配置された第２光ガイド層の層数を多くすることで、第２クラッド層側の光強度分布をより一層理想的な分布に近付けることが可能となる。したがって、光閉じ込め構造において生じる光の損失を抑制できる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記第１隣接層は、前記第１離間層の前記第１隣接層に接する層より膜厚が小さく、前記第２隣接層は、前記第２離間層の前記第２隣接層に接する層より膜厚が小さくてもよい。

このように、第１離間層及び第２離間層より屈折率が高い第１隣接層及び第２隣接層の膜厚を小さくすることで、屈折率が高い領域を活性層付近の狭い領域に集中させることができるため、光を活性層付近の狭い領域に集中させることができる。これにより、光閉じ込め係数Γｖの向上による発振閾値低減と、導波路損失αｉの低減によるスロープ効率の向上とが、より一層顕著となる。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型であってもよい。

また、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子の一態様において、前記光閉じ込め構造として、前記第２クラッド層にリッジ部が形成されていてもよい。

本開示によれば、発振閾値及び導波路損失を低減し、さらに高次モードの発振を抑制することにより、光出力を増加させた窒化物半導体レーザ素子を提供できる。

図１は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２は、比較例の窒化物半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子及び比較例の窒化物半導体レーザ素子の発光層の構造並びに屈折率及び光の分布を示す図である。 図４は、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の第１隣接層及び第２隣接層のＩｎ組成比率と、発振閾値電流密度及び等価屈折率差Δｎとの関係を示すグラフである。 図５Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す模式的な断面図である。 図５Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す模式的な断面図である。 図５Ｃは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す模式的な断面図である。 図５Ｄは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第４工程を示す模式的な断面図である。 図５Ｅは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第５工程を示す模式的な断面図である。 図５Ｆは、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造方法の第６工程を示す模式的な断面図である。 図６は、変形例に係る窒化物半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。

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する。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、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、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。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。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。

また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。

（実施の形態）
実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子について説明する。

［全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の全体構成について図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の全体構成を示す模式的な断面図である。図１には、窒化物半導体レーザ素子１００の発光層１０３の拡大図が併せて示されている。

窒化物半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体層を含むレーザ素子である。本実施の形態では、窒化物半導体レーザ素子１００は、共振器を形成する二つの端面を有する半導体レーザ素子である。図１においては、窒化物半導体レーザ素子１００のレーザ発振方向に垂直な断面が示されている。

図１に示されるように、窒化物半導体レーザ素子１００は、基板１０１と、第１クラッド層１０２と、発光層１０３と、電子障壁層１０４と、第２クラッド層１０５と、コンタクト層１０６と、絶縁層１０７と、第２導電側電極１０８と、パッド電極１０９と、第１導電側電極１１０と、を備える。

基板１０１は、窒化物半導体レーザ素子１００の基材である。本実施の形態では、基板１０１は、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である。基板１０１は、ＧａＮ基板に限定されず、窒化物半導体層を積層し得る基板であればよい。例えば、基板１０１は、ＳｉＣ基板、サファイア基板などであってもよい。

第１クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置され、窒化物半導体からなる第１導電型のクラッド層である。第１クラッド層１０２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。本実施の形態では、第１導電型は、ｎ型である。また、第１クラッド層１０２は、Ｓｉがドープされ、２μｍの膜厚を有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０３）層である。第１クラッド層１０２におけるＳｉ濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３である。第１クラッド層１０２の構成はこれに限定されない。第１クラッド層１０２は、１μｍ以上の膜厚を有する第１導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層であればよい。

発光層１０３は、第１クラッド層１０２の上方に配置された、窒化物半導体からなる層であり、発光する層を含む。図１に示されるように、発光層１０３は、第１光ガイド層１２０と、活性層１３０と、第２光ガイド層１４０と、を備える。

第１光ガイド層１２０は、第１クラッド層１０２の上方に配置された、窒化物半導体からなる層である。第１光ガイド層１２０は、第１クラッド層１０２より高い屈折率を有し、光をガイドする。第１光ガイド層１２０は、活性層１３０に隣接した第１隣接層１２０ａと、第１隣接層１２０ａより活性層１３０から離れた第１離間層１２０ｂと、を備える。第１隣接層１２０ａ及び第１離間層１２０ｂは、屈折率が活性層１３０よりも小さいＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなり、第１隣接層１２０ａは、第１離間層１２０ｂよりＩｎ組成比率が大きい。なお、Ｉｎ組成比率とは、窒化物半導体に含まれる１３族（ＩＩＩＡ族）の元素におけるＩｎの割合である。

本実施の形態では、第１隣接層１２０ａは、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０２）からなり、１３ｎｍの膜厚を有する。第１離間層１２０ｂは、活性層１３０から離れるほどＩｎ組成比率が小さくなる複数の第１離間要素層を含む。図１に示される例では、第１離間層１２０ｂは、二つの第１離間要素層１２２及び１２３を含む。第１離間要素層１２２、第１離間要素層１２３の順に活性層１３０から遠ざかり、Ｉｎ組成比率が小さくなる。本実施の形態では、第１離間要素層１２２は、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．００８）からなり、４０ｎｍの膜厚を有する。第１離間要素層１２３は、アンドープＧａＮからなり、２００ｎｍの膜厚を有する。

活性層１３０は、第１光ガイド層１２０の上方に配置された、窒化物半導体からなる層であり、単一の井戸層からなる単一量子井戸構造を有する。本実施の形態では、活性層１３０は、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０６６）からなり、７．５ｎｍの膜厚を有する。

第２光ガイド層１４０は、活性層１３０の上方に配置された、窒化物半導体からなる層である。第２光ガイド層１４０は、第２クラッド層１０５より高い屈折率を有し、光をガイドする。第２光ガイド層１４０は、活性層１３０に隣接した第２隣接層１４０ａと、第２隣接層１４０ａより活性層１３０から離れた第２離間層１４０ｂと、を備える。第２隣接層１４０ａ及び第２離間層１４０ｂは、屈折率が活性層１３０よりも小さいＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなり、第２隣接層１４０ａは、第２離間層１４０ｂよりＩｎ組成比率が大きい。

本実施の形態では、第２隣接層１４０ａは、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．０２）からなり、１３ｎｍの膜厚を有する。第２離間層１４０ｂは、活性層１３０から離れるほどＩｎ組成比率が小さくなる複数の第２離間要素層を含む。図１に示される例では、第２離間層１４０ｂは、三つの第２離間要素層１４２、１４３及び１４４を含む。第２離間要素層１４２、第２離間要素層１４３、第２離間要素層１４４の順に活性層１３０から遠ざかり、Ｉｎ組成比率が小さくなる。本実施の形態では、第２離間要素層１４２は、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．００８）からなり、４０ｎｍの膜厚を有する。第２離間要素層１４３は、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．００３）からなり、６７ｎｍの膜厚を有する。第２離間要素層１４４は、アンドープＧａＮからなり、５ｎｍの膜厚を有する。

電子障壁層１０４は、発光層１０３から第２クラッド層への電子の漏れを抑制する層である。本実施の形態では、電子障壁層１０４は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．３５）からなり、５ｎｍの膜厚を有する。なお、電子障壁層１０４の構成はこれに限定されず、発光層１０３から第２クラッド層への電子の漏れを抑制する機能を実現できる構成であればよい。

第２クラッド層１０５は、第２光ガイド層１４０の上方に配置された、窒化物半導体からなる第２導電型の層である。第２クラッド層１０５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。本実施の形態では、第２導電型は、ｐ型である。第２クラッド層１０５は、Ｍｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を含む。第２クラッド層１０５におけるＭｇ濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、Ａｌの平均組成比が３％であり、１．５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮ層と、１．５ｎｍの膜厚を有するＧａＮ層とが交互にそれぞれ２００層積層された層である。第２クラッド層１０５の構成はこれに限定されない。第２クラッド層１０５は、０．１μｍ以上、１μｍ以下の膜厚を有する第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層であればよい。また、第２クラッド層１０５には、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造として、幅１５μｍのリッジ部１１１が形成されている。

コンタクト層１０６は、第２クラッド層１０５の上方に配置された、第２導電型の窒化物半導体からなる層である。本実施の形態では、コンタクト層１０６は、Ｍｇがドープされ、５０ｎｍの膜厚を有するＧａＮ層である。コンタクト層１０６におけるＭｇ濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３である。コンタクト層１０６の構成はこれに限定されない。コンタクト層１０６は、Ｍｇがドープされた第２導電型のＧａＮ層であればよい。

絶縁層１０７は、第２クラッド層１０５の上方に配置された、絶縁材料からなる層である。本実施の形態では、絶縁層１０７は、コンタクト層１０６の上面の一部及び側面と、第２クラッド層１０５の上面に配置され、２００ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ_２からなる層である。絶縁層１０７の構成は、これに限定されない。絶縁層１０７は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚を有する絶縁材料で形成された層であればよい。

第２導電側電極１０８は、コンタクト層１０６の上方に配置される導電材料からなる層である。第２導電側電極１０８は、コンタクト層１０６と接触する。本実施の形態では、第２導電側電極１０８は、コンタクト層１０６側から順に膜厚４０ｎｍのＰｄ及び膜厚３５ｎｍのＰｔが積層された積層膜である。第２導電側電極１０８の各金属膜の膜厚及び膜構成はこれに限定されない。第２導電側電極１０８は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜であってもよい。また、第２導電側電極１０８は、絶縁層１０７上にも形成されてもよい。

パッド電極１０９は、第２導電側電極１０８の上方に配置されたパッド状の電極である。本実施の形態では、パッド電極１０９のリッジ部１１１の長手方向（つまり、レーザ発振方向）の寸法は９００μｍであり、リッジ部１１１の幅方向（つまり、基板１０１の主面に平行でレーザ発振方向に垂直な方向）の寸法は１５０μｍである。パッド電極１０９は、第２導電側電極１０８側から順に膜厚１００ｎｍのＴｉ、膜厚３５ｎｍのＰｔ及び膜厚１５００ｎｍのＡｕが積層された積層膜である。パッド電極１０９の各金属膜の膜厚及び膜構成はこれに限定されない。パッド電極１０９は、例えば、Ｔｉ及びＡｕ、Ｎｉ及びＡｕなどの積層膜であってもよい。

第１導電側電極１１０は、基板１０１の下方に配置される電極である。本実施の形態では、第１導電側電極１１０は、基板１０１側から順に膜厚５ｎｍのＴｉ、膜厚１０ｎｍのＰｔ及び膜厚１０００ｎｍのＡｕが積層された積層膜である。第１導電側電極１１０の各金属膜の膜厚及び膜構成はこれに限定されない。第１導電側電極１１０は、例えば、Ｔｉ及びＡｕなどの積層膜であってもよい。

［作用及び効果］
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の作用及び効果について、比較例と比較しながら説明する。図２は、比較例の窒化物半導体レーザ素子９００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２には、窒化物半導体レーザ素子９００の発光層９０３の拡大図が併せて示されている。

図２に示される比較例の窒化物半導体レーザ素子９００は、発光層９０３の構成において、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００と相違し、その他の構成において一致する。比較例の窒化物半導体レーザ素子９００の発光層９０３は、第１光ガイド層９２０と、活性層９３０と、第２光ガイド層９４０と、を備える。

第１光ガイド層９２０は、本実施の形態に係る第１離間要素層１２２及び１２３を備える。第２光ガイド層９４０は、本実施の形態に係る第２離間要素層１４２、１４３及び１４４を備える。活性層９３０は、量子井戸層９３１及び９３２と、障壁層９３３と、を備える。つまり、比較例の窒化物半導体レーザ素子９００は、二重量子井戸型の半導体レーザ素子である。量子井戸層９３１及び９３３の構成は、本実施の形態に係る活性層１３０と同様である。障壁層９３３は、１０ｎｍの膜厚を有し、ＧａＮからなる層である。

ここで、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００と比較例の窒化物半導体レーザ素子９００との発光層の構成を、図３を用いて比較する。図３は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００及び比較例の窒化物半導体レーザ素子９００の発光層の構造並びに屈折率及び光の分布を示す図である。図３においては、各窒化物半導体レーザ素子の発光層の層構成が示されており、各層の屈折率分布が、層構成を示す図の右隣に実線で模式的に示されている。また、発光層の屈折率分布に対応する光強度分布の概要が破線で示されている。

本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００のように単一量子井戸構造を有する半導体レーザ素子においては、量子井戸構造だけに着目すると、複数の量子井戸層を有する半導体レーザ素子より、原理的に発振閾値を低減し得る。一方、光強度分布に着目すると、単一量子井戸構造を有する半導体レーザ素子においては、屈折率が高い量子井戸層が少なくなるため、一般に光強度分布が広がり、光と活性層１３０とのオーバーラップが減少し、発振閾値の低下を招き得る。しかしながら、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００は、活性層１３０に隣接し屈折率が比較的高い第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａを備えるため、二重量子井戸構造を有する比較例の窒化物半導体レーザ素子９００と同様の光強度分布を形成し得る。したがって、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００によれば、単一量子井戸構造による発振閾値の低減効果を最大限に発揮し得る。さらに、活性層１３０に隣接する第１光ガイド層１２０及び第２光ガイド層１４０が、活性層１３０に近付くにしたがって順に屈折率が高くなる構成を備えるため、光を活性層１３０の近傍に閉じ込めることができる。したがって、窒化物半導体レーザ素子１００の導波路損失αｉ及び発振閾値を低減し、さらに、高次モードの発振を抑制することができる。よって、窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率及び光出力を増加させることができる。

ここで、第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａのＩｎ組成比率について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａのＩｎ組成比率と、発振閾値電流密度及び等価屈折率差Δｎとの関係を示すグラフである。図４には、Ｉｎ組成比率と、発振閾値電流密度との関係が実線で示され、Ｉｎ組成比率と等価屈折率差Δｎとの関係が破線で示されている。

一般的な半導体レーザ素子においては、消費電力を低減するために、発振閾値電流密度を２ｋＡ／ｃｍ^２以下程度とすることが要求される。図４に示されるように、第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａのＩｎ組成比率を１％以上、３％以下とすることで発振閾値電流密度を２ｋＡ／ｃｍ^２以下に保つことができる。

また、等価屈折率差Δｎが５×１０^−３未満である場合には、光を導波路内に十分に閉じ込めることができないため、レーザ光の横モードが不安定となり、窒化物半導体レーザ素子１００の電流光出力特性を示すグラフにキンクと呼ばれる折れ曲がりが生じる。しかしながら、図４に示されるように、第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａのＩｎ組成比率を２．６％以下とすることで、等価屈折率差Δｎを５×１０^−３以上とすることができるため、光を導波路内に閉じ込めることができ、キンクの発生を抑制できる。

本実施の形態では、上述のとおり第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層のＩｎ組成比率は、いずれも１％以上、２．６％以下である。このため、光の横モードを安定化でき、かつ、導波路損失及び発振閾値電流密度を低減できる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００では、第１離間層１２０ｂ及び第２離間層１４０ｂの少なくとも一方が含む複数の層のうち活性層１３０から最も離れた第１離間要素層１２３及び第２離間要素層１４４がＧａＮからなる。このように、活性層１３０に隣接する位置にＩｎ組成比率が高い第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａを配置し、第１光ガイド層１２０及び第２光ガイド層１４０のうち活性層１３０から最も離れた位置にＩｎＧａＮより屈折率が低いＧａＮからなる層を配置することにより、光閉じ込め係数Γｖを増大させつつも、導波路損失αｉを低く保つことができる。これにより、発振閾値をより一層低減できる。

また、第１離間層１２０ｂ及び第２離間層１４０ｂは、活性層１３０から最も離れたＧａＮからなる層と、Ｉｎ組成比率が０より大きい二つ以上の層と、を含む。このように、第１光ガイド層１２０及び第２光ガイド層１４０の各々が、活性層１３０から離れるほど屈折率が低くなる三つ以上の層を含むため、第１光ガイド層１２０及び第２光ガイド層１４０の屈折率分布の形状を、理想的な光強度分布を得られる形状により一層近づけることが可能となる。また、第１光ガイド層１２０及び第２光ガイド層１４０のうち活性層１３０から最も離れた位置にＩｎＧａＮより屈折率が低いＧａＮからなる層を配置することにより、光閉じ込め係数Γｖを増大させつつも、導波路損失αｉを低く保つことができる。これにより、発振閾値をより一層低減できる。

また、本実施の形態では、活性層１３０より第２クラッド層１０５側には、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造が形成されており、第２離間層１４０ｂは、第１離間層１２０ｂよりも層数が多い。このような光閉じ込め構造によって光を積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に閉じ込めることで、さらに発振閾値を低減できる。ここで、光閉じ込め構造を有する第２クラッド層１０５側においては、光強度分布が広がる場合に、光閉じ込め構造によって光の損失が発生するおそれがある。しかしながら、第２クラッド層１０５側に配置された第２光ガイド層の層数を多くすることで、第２クラッド層１０５側の光強度分布をより一層理想的な分布に近付けることが可能となる。したがって、光閉じ込め構造において生じる光の損失を抑制できる。

また、本実施の形態では、第１隣接層１２０ａは、第１離間層１２０ｂの第１隣接層１２０ａに接する層より膜厚が小さく、第２隣接層１４０ａは、第２離間層１４０ｂの第２隣接層１４０ａに接する層より膜厚が小さい。このように、第１離間層１２０ｂ及び第２離間層１４０ｂより屈折率が高い第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａの膜厚を小さくすることで、屈折率が高い領域を活性層１３０付近の狭い領域に集中させることができるため、光を活性層付近の狭い領域に集中させることができる。これにより、光閉じ込め係数Γｖの向上による発振閾値低減と、導波路損失αｉの低減によるスロープ効率の向上とが、より一層顕著となる。

［製造方法］
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について、図５Ａ〜図５Ｆを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｆは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法の各工程を示す模式的な断面図である。

まず、図５Ａに示されるように、基板１０１を準備し、基板１０１上に、基板１０１側から順に、第１クラッド層１０２、発光層１０３、電子障壁層１０４、第２クラッド層１０５及びコンタクト層１０６を形成する。本実施の形態では、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）により、各層の成膜を行う。

次に、図５Ｂに示されるように、コンタクト層１０６上に、ＳｉＯ_２などからなるマスク１０７Ａを形成する。本実施の形態では、例えば熱ＣＶＤにより、膜厚３００ｎｍ程度のマスク１０７Ａを形成する。

続いて、図５Ｃに示されるように、マスク１０７Ａをパターニングする。本実施の形態では、フォトリソグラフィ法及びフッ化水素酸を用いるエッチング法により、マスク１０７ａの一部を選択的に除去する。これにより、例えば幅１５μｍの帯状のマスク１０７Ａを形成する。このとき、六方晶ＧａＮである基板１０１の自然へき開面（ｍ面）を利用して共振端面を形成することを考慮して、マスク１０７Ａの帯状の部分の長手方向（つまり、レーザ発振方向）は六方晶ＧａＮのｍ軸方向に平行とする。

次に、図５Ｄに示されるように、帯状に形成されたマスク１０７Ａを用いて、コンタクト層１０６及び第２クラッド層１０５をエッチングすることで、コンタクト層１０６及び第２クラッド層１０５にリッジ部１１１を形成する。コンタクト層１０６及び第２クラッド層１０５のエッチングとしては、例えば、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ；ＩＣＰ）エッチング法を用いるとよい。

次に、マスク１０７Ａを、フッ化水素酸などを用いたエッチング法によって除去した後、コンタクト層１０６及び第２クラッド層１０５を覆うように、絶縁層１０７を成膜する。絶縁層１０７としては、プラズマＣＶＤにより、例えば膜厚２００ｎｍのＳｉＯ_２を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法とエッチング法とにより、図５Ｅに示されるようにリッジ部１１１上の絶縁層１０７のみを除去して、コンタクト層１０６の上面を露出させる。

次に、コンタクト層１０６の露出部以外にレジストパターンを形成する。続いて、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ；ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジ部１１１上において露出したコンタクト層１０６の上に、ＰｄとＰｔとが積層された金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法により、レジストパターンとレジストパターン上の金属積層膜とを除去して、第２導電側電極１０８を形成する。続いて、第２導電側電極１０８及び絶縁層１０７を覆うようにパッド電極１０９を形成する。具体的には、パッド電極１０９を形成しない部分にフォトリソグラフィ法によってレジストをパターニングし、基板１０１の上方の全面に真空蒸着法などによってＴｉ、Ｐｔ及びＡｕが積層された金属積層膜を形成し、リフトオフ法を用いて不要な部分を除去する。このように、所定形状のパッド電極１０９を形成する。さらに、基板１０１の下面（つまり、リッジ部１１１が形成された面とは反対側の面）に第１導電側電極１１０を形成する。具体的には、例えば基板１０１の下面をダイヤモンドスラリにより研磨して、基板１０１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１０１の下面に、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕが積層された金属積層膜からなる第１導電側電極１１０を形成する。

以上のような工程により、図５Ｆに示されるような窒化物半導体レーザ素子１００が形成される。

（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態においては、第１離間層１２０ｂ及び第２離間層１４０ｂの各々は、複数の層を備えたが、第１離間層１２０ｂ及び第２離間層１４０ｂの少なくとも一方は単層であってもよい。ここで、このような変形例に係る窒化物半導体レーザ素子について図６を用いて説明する。図６は、変形例に係る窒化物半導体レーザ素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図６に示されるように、窒化物半導体レーザ素子２００は、基板１０１と、第１クラッド層１０２と、発光層２０３と、電子障壁層１０４と、第２クラッド層１０５と、コンタクト層１０６と、絶縁層１０７と、第２導電側電極１０８と、パッド電極１０９と、第１導電側電極１１０と、を備える。窒化物半導体レーザ素子２００は、発光層２０３の構成において、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００と相違し、その他の構成において一致する。

発光層２０３は、第１光ガイド層２２０と、活性層１３０と、第２光ガイド層２４０と、を備える。第１光ガイド層２２０は、第１隣接層２２０ａと、第１隣接層２２０ａよりＩｎ組成比率が小さい第１離間層２２０ｂと、を備え、第２光ガイド層２４０は、第２隣接層２４０ａと、第１隣接層２２０ａよりＩｎ組成比率が小さい第２離間層２４０ｂと、を備える。第１隣接層２２０ａ及び第２隣接層２４０ａは、それぞれ、実施の形態の第１隣接層１２０ａ及び第２隣接層１４０ａと同様の構成を有する。一方、第１離間層２２０ｂは、実施の形態と異なり、単一のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなる。また、第２離間層２４０ｂは、二つの第２離間要素層１４３及び１４４を備える。

このような構成を有する窒化物半導体レーザ素子２００においても、実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００と同様に、活性層１３０が単一量子井戸構造を有し、かつ、活性層１３０に隣接する第１光ガイド層２２０及び第２光ガイド層２４０が、活性層１３０に近付くにしたがって順に屈折率が高くなる構成を備える。したがって、窒化物半導体レーザ素子２００においても、窒化物半導体レーザ素子１００と同様に、発振閾値及び導波路損失αｉを低減できる。

また、上記実施の形態においては、光閉じ込め構造として、第２クラッド層１０５にリッジ部１１１が形成されたが、光閉じ込め構造は、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める構造であればよい。例えば、第２クラッド層に、第２クラッド層より屈折率が低い層を埋め込んでもよい。

また、上記実施の形態においては、窒化物半導体レーザ素子１００が電子障壁層１０４を備えたが、窒化物半導体レーザ素子は、必ずしも電子障壁層１０４を備えなくてもよい。

また、上記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上記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。

本開示の窒化物半導体レーザ素子は、消費電力が低い光源として、例えば照明用光源、加工用光源などに適用できる。

１００、２００、９００ 窒化物半導体レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 第１クラッド層
１０３、２０３、９０３ 発光層
１０４ 電子障壁層
１０５ 第２クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ 絶縁層
１０７Ａ マスク
１０８ 第２導電側電極
１０９ パッド電極
１１０ 第１導電側電極
１２０、２２０、９２０ 第１光ガイド層
１２０ａ、２２０ａ 第１隣接層
１２０ｂ、２２０ｂ 第１離間層
１２２、１２３ 第１離間要素層
１３０、９３０ 活性層
１４０、２４０、９４０ 第２光ガイド層
１４０ａ、２４０ａ 第２隣接層
１４０ｂ、２４０ｂ 第２離間層
１４２、１４３、１４４ 第２離間要素層
９３１、９３２ 量子井戸層
９３３ 障壁層

Claims (9)

1. 窒化物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第１光ガイド層と、
   前記第１光ガイド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる活性層と、
   前記活性層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第２光ガイド層と、
   前記第２光ガイド層の上方に配置された、窒化物半導体からなる第２導電型の第２クラッド層と、を備え、
   前記活性層は、単一の井戸層からなる単一量子井戸構造を有し、
   前記第１光ガイド層は、前記活性層に隣接した第１隣接層と、前記第１隣接層より前記活性層から離れた第１離間層と、を備え、
   前記第２光ガイド層は、前記活性層に隣接した第２隣接層と、前記第２隣接層より前記活性層から離れた第２離間層と、を備え、
   前記第１隣接層、前記第２隣接層、前記第１離間層及び前記第２離間層は、屈折率が前記活性層よりも小さいＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１）からなり、
   前記第１隣接層は、前記第１離間層よりＩｎ組成比率が大きく、
   前記第２隣接層は、前記第２離間層よりＩｎ組成比率が大きい
   窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記第１隣接層及び前記第２隣接層のＩｎ組成比率は、１％以上、２．６％以下である
   請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記第１離間層及び前記第２離間層の各々は、前記活性層から離れるほどＩｎ組成比率が小さくなる複数の層を含む
   請求項１又は２記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記第１離間層及び前記第２離間層の少なくとも一方において、前記複数の層のうち、前記活性層から最も離れた層が、ＧａＮからなる
   請求項３記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記第１離間層及び前記第２離間層の各々において、前記複数の層は、前記活性層から最も離れたＧａＮからなる層と、Ｉｎ組成比率が０より大きい二つ以上の層と、を含む
   請求項４記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記活性層より前記第２クラッド層側には、積層方向及びレーザ発振方向に垂直な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造が形成されており、
   前記第２離間層は、前記第１離間層よりも層数が多い
   請求項３〜５の何れか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記第１隣接層は、前記第１離間層の前記第１隣接層に接する層より膜厚が小さく、
   前記第２隣接層は、前記第２離間層の前記第２隣接層に接する層より膜厚が小さい
   請求項１〜６の何れか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 第１導電型は、ｎ型であり、
   第２導電型は、ｐ型である
   請求項１〜７の何れか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記光閉じ込め構造として、前記第２クラッド層にリッジ部が形成されている
   請求項６記載の窒化物半導体レーザ素子。

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