WO2021095661A1 - 半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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WO2021095661A1
WO2021095661A1 PCT/JP2020/041571 JP2020041571W WO2021095661A1 WO 2021095661 A1 WO2021095661 A1 WO 2021095661A1 JP 2020041571 W JP2020041571 W JP 2020041571W WO 2021095661 A1 WO2021095661 A1 WO 2021095661A1
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WO
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semiconductor laser
window portion
layer
laser device
active layer
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Application number
PCT/JP2020/041571
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English (en)
French (fr)
Inventor
繁太 坂井
俊彦 深町
宏一 難波江
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/16—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device and a method for manufacturing a semiconductor laser device.
  • a window structure with a wide band gap of the material on the end face is applied in order to suppress light absorption on the end face.
  • the window structure of the end face is realized by injecting ions and impurities into the end face portion, thereby promoting mutual diffusion of atoms and co-crystallizing the well layer and the barrier layer.
  • nitride-based semiconductors are characterized by strong interatomic bonds, and it is essentially difficult to fabricate a window structure by the above method. If ion implantation is performed so that the well layer crystal and the barrier layer crystal are sufficiently mixed, a large amount of crystal defects will be introduced around the end face portion, which causes light absorption.
  • window structuring Another method of window structuring is to remove the end face by etching technology and then coherently grow a material with a large bandgap as a window at high temperature.
  • the nitride-based material is a lattice mismatch material, an extremely large strain on the order of several percent is introduced near the end face due to the lattice mismatch between the base material and the window material, which causes cracks and crystal defects.
  • Patent Document 1 discloses a technique for reducing the light density in the vicinity of the end face by not forming a ridge mesa in the region near the end face in order to avoid the above problems and improve the reliability of the end face.
  • the optimum growth temperature for forming a window material by a general metalorganic vapor phase growth method is 1000 ° C or higher when, for example, GaN, AlN and a mixed crystal of these are used as the window material. It is 1200 ° C or less.
  • the optimum growth temperature of the active layer material is as low as 800 ° C. or less. Therefore, the heat generated when the window portion is formed may deteriorate the active layer and surrounding crystals. Therefore, in semiconductor laser devices made of nitride-based materials, there is a demand for a window structure that can be produced with good quality and a method for producing a window with good quality.
  • An object of the present invention is to obtain a high-quality window portion in a semiconductor laser device made of a nitride-based material.
  • one aspect of the semiconductor laser device is an n-type semiconductor layer made of a nitride semiconductor and a long shape in which a gain region in which light is amplified is extended in a direction in which the layer spreads.
  • An active layer composed of a nitride semiconductor and overlapping the n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer composed of a nitride semiconductor overlapping the active layer, and a gain region of the gain region with respect to the active layer. Adjacent to the extending direction, it is composed of any of polycrystalline, amorphous, and a mixture thereof, and is characterized by having a window portion having a band gap larger than that of the active layer.
  • the window portion has high transparency and cracks in the active layer can be suppressed when the window portion is formed, so that a high quality window portion can be obtained.
  • the window portion is preferably made of Al x In y Ga (1-xy) N (provided that 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1). Is. A window portion having such a composition is easy to form.
  • the window portion has a total concentration of oxygen and carbon of 10 18 cm -3 or more and 10 20 cm -3 or less. With such a content concentration, high transparency can be obtained in the window portion.
  • the window portion has a half width of (0002) X-ray diffraction of 100 arcsec or more and 1000 arcsec or less.
  • the half-value width in X-ray diffraction indicates the degree of crystallinity in the window portion. The larger the half-value width, the more irregular the arrangement of atoms and the lower the crystallinity, and the smaller the half-value width, the more the atom. The arrangement is regular and the crystallinity is high. (0002) If the half width in X-ray diffraction is less than 100 arcsec, deterioration of the active layer may occur. Further, if the half width exceeds 1000 arcsec, a defect may occur due to a current leak.
  • the half-value width of the window portion in (0002) X-ray diffraction is larger on the p-type semiconductor layer side than on the n-type semiconductor layer side.
  • the crystal orientation is higher on the n-type semiconductor layer side than on the p-type semiconductor layer side.
  • the stress generated on the n-type semiconductor layer side having high crystal orientation is relaxed on the p-type semiconductor layer side having low crystal orientation, so that the window portion 150 is formed without introducing cracks or dislocations.
  • the window portion is located on the p-type semiconductor layer side of the first location as compared with the first location adjacent to the active layer, and is more than the first location. It is preferable that the refractive index is small at the third location located on the n-type semiconductor layer side. With such a refractive index distribution, a light confinement effect can be obtained in the stacking direction of the semiconductor laser device, and light loss is suppressed.
  • the first portion is made of a nitride-based material having a refractive index different from that of the second portion and the third portion.
  • the above refractive index distribution can be easily obtained by using materials having different refractive indexes.
  • the thickness of the window portion in the extending direction of the gain region is 10 ⁇ m or less. This is because if the window portion is too thick, the light loss increases and the output of the semiconductor laser element decreases.
  • the semiconductor laser device has a ridge portion extending from the p-type semiconductor layer to the window portion along the gain region and projecting in a direction away from the active layer.
  • the ridge portion causes a light confinement action, and the traveling direction of the light is aligned with the direction along the gain region, so that the output of the semiconductor laser element is improved.
  • one aspect of the method for manufacturing a semiconductor laser device is to sequentially laminate an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer, each of which is made of a nitride semiconductor.
  • An etching step of removing the layer a forming step of forming a window portion made of a nitride-based material adjacent to an end face generated by removing a part of the active layer by the etching step, and after forming the window portion. It has an annealing step of performing annealing to improve the transparency of the window portion. According to such a manufacturing method, a high-quality window portion can be obtained by forming the window portion in a desired crystalline state.
  • the forming step forms the window portion at a temperature equal to or lower than the film forming temperature of the active layer, and the annealing step performs annealing at a temperature exceeding the temperature of the forming step. Is desirable. By satisfying such a temperature condition, the window portion can be formed while suppressing the deterioration of the active layer.
  • the window portion is formed at a temperature of 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower in the forming step. Since the crystallinity of the window portion formed below 100 ° C is too low, it is difficult to transition to the desired crystalline state even after the annealing step. If the window portion is formed at a temperature of more than 600 ° C., the active layer may be deteriorated. In the method for manufacturing a semiconductor laser device, when the processing temperature is T (° C) and the processing time is t (h), the annealing step is performed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • FIG. 1 shows a plan view of the semiconductor laser device 100, a cross-sectional view taken along the line AA, and a cross-sectional view taken along the line BB.
  • the semiconductor laser device 100 is in contact with the n-side clad layer 102, the n-side guide layer 103, the active layer 104, the p-side guide layer 105, and the p-side clad layer 106, which are sequentially laminated with respect to the substrate 101. It has a layer 107.
  • the substrate 101 is made of, for example, n-type gallium nitride (n-type GaN), and the n-side clad layer 102 is made of, for example, n-type aluminum gallium nitride (n-type AlGaN) having an Al concentration of 10% or less. ..
  • the n-side guide layer 103 is made of, for example, n-type GaN
  • the active layer 104 is made of, for example, indium gallium nitride (InGaN) having an In concentration of 20% or less
  • the p-side guide layer 105 is made of, for example, p-type gallium nitride (p). Type GaN).
  • the p-side clad layer 106 is made of, for example, p-type aluminum gallium nitride (p-type AlGaN) having an Al concentration of 10% or less
  • the contact layer 107 is made of, for example, p-type GaN.
  • the direction in which these layers are laminated may be referred to as the stacking direction below. That is, the stacking direction is a direction perpendicular to the paper surface in the plan view, a vertical direction in the AA cross-sectional view, and a left-right direction in the BB cross-sectional view.
  • the semiconductor laser element 100 has a shape extending in the left-right direction in the plan view, and has window portions 150 adjacent to the active layer 104 at both ends in this direction.
  • a reflective film and a protective film are formed on the surface of the window portion 150 corresponding to both end faces of the semiconductor laser element 100 to form an optical resonator.
  • the length of the optical resonator is, for example, 1000 ⁇ m, and the thickness of the window portion 150 is, for example, 10 ⁇ m.
  • the optical resonator extends along the direction in which the semiconductor laser element 100 extends, and the direction in which the optical resonator extends may be hereinafter referred to as a resonance direction. That is, the resonance direction is the left-right direction in the plan view and the AA cross-sectional view, and is the direction perpendicular to the paper surface in the BB cross-sectional view.
  • the portion where the contact layer 107 is laminated with respect to the p-side clad layer 106 is a ridge stripe 100a having a shape protruding from the p-side clad layer 106 in the stacking direction and extending in the resonance direction.
  • the width of the ridge stripe 100a is, for example, 10 ⁇ m.
  • the ridge stripe 100a is formed not only on the p-side clad layer 106 but also on the window portion 150.
  • Insulating layers 120 are formed on both sides of the p-side clad layer 106 and the contact layer 107 of the ridge stripe 100a.
  • the direction in which the insulating layer 120 sandwiches the ridge stripe 100a may be referred to as the width direction below. That is, the width direction is the vertical direction in the plan view and the BB cross-sectional view, and is the direction perpendicular to the paper surface in the AA cross-sectional view.
  • the direction from the substrate 101 side to the contact layer 107 side in the stacking direction is referred to as "up” regardless of the gravity direction, and the opposite direction is referred to as the gravity direction. It may be referred to as “below” regardless.
  • the semiconductor laser element 100 has a first electrode 111 extending in the resonance direction along the ridge stripe 100a on the contact layer 107 and having a width similar to that of the contact layer 107.
  • the first electrode 111 is an electrode that is ohmic contacted with the contact layer 107.
  • the semiconductor laser device 100 further has a second electrode 112 on the first electrode 111.
  • the second electrode 112 spreads wider than the first electrode 111 in the width direction, and strongly adheres to the insulating layer 120 to suppress peeling of the first electrode 111.
  • the first electrode 111 and the second electrode 112 are also collectively referred to as p-side electrodes.
  • An n-side electrode 113 is formed under the substrate 101.
  • a voltage is applied between the p-side electrode and the n-side electrode 113, a current flows through the active layer 104 to emit light.
  • that range becomes the gain region 130 capable of amplifying the light.
  • the light amplified in the gain region 130 and repeatedly reciprocated in both window portions 150 becomes laser light and is emitted from the semiconductor laser element 100.
  • the window portion 150 included in the semiconductor laser device 100 of the present embodiment is made of a material selected from, for example, AlN, GaN, AlGaN, InGaN, etc., and is not a single crystal but a polycrystalline, amorphous, or a mixture thereof. It has become. Therefore, the stress on the active layer 104 is small in the window portion 150, and the deterioration of the active layer 104 is suppressed. Further, since the window portion 150 has a band gap larger than that of the active layer 104 by annealing which will be described later, the window portion 150 has high transparency with respect to the oscillating light of the semiconductor laser element 100.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of the semiconductor laser device.
  • the manufacturing process of the semiconductor laser apparatus includes a total of 12 steps from the multilayer forming step S101 to the assembling step S112, and each step is sequentially executed.
  • each step will be described with reference to the drawings, but FIGS. 1 and 2 will also be referred to as appropriate.
  • FIG. 3 is a diagram showing a multilayer forming step S101.
  • the n-side clad layer 102, the n-side guide layer 103, the active layer 104, the p-side guide layer 105, the p-side clad layer 106, and the contact layer 107 are arranged in this order on the substrate 101, for example, organic.
  • the laminated body 200 is formed by sequentially laminating by the metal vapor phase growth method (MOCVD). As the method of laminating each layer, any conventionally known technique shall be used, and detailed description thereof will be omitted here.
  • FIG. 4 is a diagram showing a protection pattern forming step S102.
  • a protective film 201 that protects the region of the laminated body 200 excluding the portion where the window portion 150 is formed is formed on the contact layer 107 of the laminated body 200.
  • the protective film 201 is formed, for example, by a lithography technique.
  • FIG. 5 is a diagram showing a window semiconductor removing step S103.
  • each portion of the laminated body 200 other than the region protected by the protective film 201, that is, each portion where the window portion 150 is formed, is dry-etched to a depth reaching the n-side clad layer 102.
  • the semiconductor material is removed.
  • a groove 202 extending in a direction corresponding to the width direction of the semiconductor laser element 100 is formed at each position where the semiconductor material is removed.
  • FIG. 6 is a diagram showing a window portion growth step S104.
  • the window material 151 is grown in the groove 202 from which the semiconductor material has been removed, for example, by the organic metal vapor phase growth method (MOCVD).
  • MOCVD organic metal vapor phase growth method
  • the window material 151 a material having a bandgap larger than that of the active layer 104 is used.
  • Al x In y Ga (1-xy) N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1) is the same as that of the nitride semiconductor constituting the laminate 200. It has high consistency and is preferable as the window material 151.
  • the growth temperature of the window material 151 is preferably 100 ° C or higher and 600 ° C or lower, more preferably 200 ° C or higher and 500 ° C or lower.
  • the window material 151 becomes one of a state of polycrystalline, amorphous, and a mixture thereof, and the n-side clad layer 102, which is the base of the window material 151, and the like. , Stress generation due to lattice mismatch between the window material 151 and the adjacent active layer 104 and the like is avoided. Therefore, the generation of cracks and the introduction of crystal defects due to the lattice mismatch are suppressed, and the window material can grow.
  • the growth temperature of the window material 151 is 100 ° C. or lower, the grown window material 151 becomes extremely amorphous, and the desired crystalline state cannot be obtained even by the annealing treatment described later. Further, since the optimum temperature for growing InGaN is about 800 ° C, if the growth temperature of the window material is 600 ° C or higher, there is a risk of heat damage to InGaN of the active layer 104. There is.
  • the thickness of the window portion 150 is examined.
  • the inventors of the present application show that, as shown in Table 1 below, when the thickness of the window portion 150 is 10 ⁇ m or less, a high-power semiconductor laser device is used. I found that I could get 100.
  • FIG. 7 is a diagram showing a lithography / etching step S105 and an annealing step S106.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the laminated body 200 corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1, a cross-sectional view taken along the line CC, and a cross-sectional view taken along the line DD.
  • the excess film formed on the contact layer 107 in the protective pattern forming step S102 and the window growing step S104 (that is, the protective film 201 and a part of the window material 151) is formed. Removed by lithography and wet etching techniques. By removing the excess film, the uppermost layer of the laminated body 200 becomes the contact layer 107, and the window portion 150 is formed.
  • thermal annealing also referred to as annealing treatment
  • the window material 151 contained a large amount of oxygen and carbon as impurities because the growth temperature was low, and the semiconductor laser device 100 was completed as it was. In some cases, a current leak will occur. Therefore, in the annealing step S106, the annealing treatment is performed at a temperature higher than the growth temperature in the window portion growth step S104, and the impurity concentration of the window portion 150 is reduced.
  • the impurity concentration at which good element characteristics of the semiconductor laser element 100 can be obtained will be examined.
  • the impurity concentration of the window portion 150 was 10 18 cm -3 or more and 10 20 cm, as shown in Table 2 below. It was found that good element characteristics can be obtained when the range is -3 or less.
  • the impurities may include either oxygen or carbon or both, and in either case, the impurity concentration is preferably in the above range.
  • the impurity concentration of the window portion 150 shown in Table 2 was evaluated by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • the reason why there is an upper limit for the impurity concentration is considered to be the occurrence of the above-mentioned current leak.
  • the reason why there is a lower limit on the impurity concentration is that the annealing treatment in which the impurity concentration is too low is excessive as the annealing treatment, and deterioration of the active layer 104 is induced by the heat during the annealing treatment. It is thought that this is the reason.
  • the annealing treatment is performed, the crystal orientation of the window portion 150 is improved. The degree of crystal orientation can be evaluated by general X-ray locking curve measurement.
  • FIG. 8 is a diagram showing a typical example of the (0002) X-ray diffraction half price width of the window portion 150.
  • the horizontal axis of FIG. 8 indicates the (0002) X-ray diffraction angle ⁇ , and the vertical axis indicates the intensity of the diffraction spot.
  • the measurement curve of (0002) X-ray diffraction with respect to the window portion 150 before the annealing treatment is shown by a dotted line, and before the annealing treatment, the (0002) X-ray diffraction half price width is an extremely broad measurement of about 1100 arcsec. It was a curve. This indicates that the state of the window portion 150 is either an amorphous state, a polycrystalline state, or a mixed state thereof.
  • the measurement curve of (0002) X-ray diffraction with respect to the window portion 150 when good element characteristics are obtained after the annealing treatment is shown by a solid line, and the crystal orientation of the window portion 150 is shown by the annealing treatment.
  • the (0002) X-ray diffraction half-price range is reduced to, for example, 500 arcsec.
  • the crystal orientation in the window portion 150 is too high, the stress on the active layer 104 adjacent to the window portion 150 becomes strong, and the crystal of the active layer 104 deteriorates. As a result, the semiconductor laser element 100 does not oscillate or exhibits poor characteristics. Further, when the X-ray diffraction half-value width exceeds 1000 arcsec, the crystal orientation in the window portion 150 is too low and a current leak occurs, so that the semiconductor laser element 100 does not oscillate or exhibits poor characteristics.
  • the improvement of the crystal orientation of the window portion 150 due to the annealing treatment proceeds so as to be oriented toward the base or the adjacent crystal. Therefore, the crystal orientation of the window portion 150 created through the annealing treatment is said to be higher on the lower surface side 150b of the window portion (see FIG. 7) in contact with the n-type semiconductor than on the upper surface side 150a of the window portion (see FIG. 7). Show a tendency.
  • crystallization that is, improvement of crystal orientation
  • crystallization proceeds so as to be aligned with the axis of the substrate or the adjacent crystal. Since such crystallization preferentially occurs at the portion in contact with the c-plane (0001) crystal portion, crystallization occurs from the lower surface portion 150b (see FIG. 7) of the window portion 150 toward the upper surface portion 150a (see FIG. 7). proceed.
  • the crystal orientation is finally higher in the portion closer to the c-plane crystal portion such as the lower surface portion 150b of the window portion 150, and the orientation is higher in the portion away from the base such as the upper surface portion 150a of the window portion 150.
  • the window portion 150 since the stress generated in the crystal portion on the lower surface is relaxed in the amorphous portion on the upper surface, the window portion 150 is formed without introducing cracks or dislocations. Conversely, the window portion 150 having a structure in which the lower surface side 150b of the window portion has a higher crystal orientation than the upper surface side 150a of the window portion can be formed while avoiding the introduction of cracks and dislocations.
  • FIG. 9 is a diagram showing an appropriate condition range for the annealing treatment.
  • the horizontal axis of FIG. 9 indicates the processing temperature T (° C), and the vertical axis indicates the processing time t (h).
  • the inventors of the present application have found that the semiconductor laser device 100 can obtain good element characteristics within the range of the shaded area shown in FIG.
  • the annealing treatment becomes excessive, so that the active layer 104 deteriorates due to the heat of the annealing treatment and the crystal orientation of the window portion 150 is high. There is a risk of crystal deterioration of the active layer 104 due to the nature.
  • FIG. 10 is a diagram showing a ridge forming step S107.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the laminated body 200 corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1, a cross-sectional view taken along the line CC, and a cross-sectional view taken along the line DD.
  • the ridge stripe 100a is formed on the laminated body 200 by, for example, a dry etching technique.
  • the ridge stripe 100a extends in the resonance direction as described above, and extends continuously to the p-side clad layer 106 and the window portion 150.
  • FIG. 11 is a diagram showing an electrode forming step S108.
  • FIG. 11 also shows a cross-sectional view of the laminated body 200 corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1, a cross-sectional view taken along the line CC, and a cross-sectional view taken along the line DD.
  • the first electrode 111 is formed on the p-side clad layer 106, and the n-side electrode 113 is formed under the substrate 101. Further, the second electrode 112 is also formed on the first electrode 111, but the illustration is omitted in the drawings after FIG. In addition, insulating layers 120 are formed on both sides of the ridge stripe 100a in the width direction. 12 and 13 are views showing the cleavage step S109. FIG. 12 shows the cleavage position in the cleavage step S109, and FIG. 13 shows the bar 210 obtained in the cleavage step S109.
  • the laminate 200 is cleaved at the cleavage position shown by the alternate long and short dash line in FIG. That is, in the cleavage step S109, cleavage is performed at the window portion 150. As a result of such cleavage, as shown in FIG. 13, the surface of the window portion 150 becomes a highly smooth cleavage surface.
  • the plurality of bars 210 obtained by cleavage of the laminated body 200 have a structure in which a plurality of optical resonators are connected in the width direction.
  • FIG. 14 is a diagram showing an end face protective film forming step S110.
  • the protective film 140 that protects the surface of the window portion 150 is formed on the end face of the bar 210.
  • a reflective film (not shown) that adjusts the reflectance on the surface of the window portion 150 is also formed between the window portion 150 and the protective film 140.
  • 15 and 16 are diagrams showing the chipping step S111.
  • FIG. 15 shows the division position in the chipping step S111
  • FIG. 16 shows the semiconductor laser device 100 obtained in the chipping step S111.
  • the bar 210 is divided by, for example, dicing at the division position shown by the alternate long and short dash line in FIG. That is, the bar 210 is divided between the ridge stripes 100a. By such division, as shown in FIG. 16, a plurality of semiconductor laser elements 100 can be obtained.
  • the assembling step S112 is executed after the chipping step S111.
  • the semiconductor laser element 100 is mounted on the submount, the wiring is connected to the semiconductor laser element 100, and the like, and the semiconductor laser device is assembled.
  • a high-power semiconductor laser device 100 having a window portion 150 of good quality is manufactured, and a high-power semiconductor laser device equipped with such a semiconductor laser device 100 is manufactured.
  • FIG. 17 is a diagram showing a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
  • the semiconductor laser device 101 of the second embodiment includes a window portion 150 having a first portion 151, a second portion 152, and a third portion 153.
  • the first portion 151 of the window portion 150 is adjacent to the active layer 104.
  • the second portion 152 is located above the first portion 151, and the second portion 152 is formed on the p-side clad layer 106 and the contact layer 107, which are layers of the p-type semiconductor material laminated on the active layer 104. Adjacent.
  • the third portion 153 is located below the first portion 151, and the third portion 153 is adjacent to the n-side clad layer 102, which is a layer of the n-type semiconductor material formed under the active layer 104. ..
  • the first portion 151 has a higher refractive index than the second portion 152 and the third portion 153.
  • the semiconductor laser device 101 of the second embodiment Since the first portion 151 has a higher refractive index than the second portion 152 and the third portion 153 in this way, it functions as a slab waveguide, so that a waveguide mode is allowed. Therefore, in the semiconductor laser device 101 of the second embodiment, the light divergence is suppressed, so that the light loss is reduced. Compared with the semiconductor laser device 100 of the first embodiment, the semiconductor laser device 101 of the second embodiment has improved element characteristics such as a reduction in the threshold value and an improvement in the slope efficiency of the current-optical output.
  • the first portion 151 is made of a material different from that of the second portion 152 and the third portion 153, the above-mentioned relationship of the refractive index can be easily obtained, and the suppression of light divergence can be easily realized.
  • the semiconductor material shown in each of the above embodiments is an example, and the semiconductor laser device of the present invention is not limited to the above example, and any nitride semiconductor can be adopted.
  • window material shown in each of the above embodiments is also an example, and the window material in the semiconductor laser device of the present invention is not limited to the above example, and any material can be adopted.
  • 100 ... semiconductor laser element 100a ... ridge stripe, 101 ... substrate, 102 ... n-side clad layer, 103 ... n-side guide layer, 104 ... active layer, 105 ... p-side guide layer, 106 ... p-side clad layer, 107 ... contact layer, 111 ... 1st electrode, 112 ... 2nd electrode, 113 ... n side electrode, 120 ... Insulation layer, 130 ... gain region, 150 ... window, 151 ... window material, 200 ... laminate, 210 ... bar,

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Abstract

【課題】窒化物系材料の半導体レーザ素子において品質の良い窓部を得る。 【解決手段】半導体レーザ素子の一態様は、窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、光が増幅される利得領域を、層が広がる方向に延びた長尺形状で有し、窒化物半導体からなり、上記ｎ型半導体層に重なった活性層と、上記活性層に重なった、窒化物半導体からなるｐ型半導体層と、上記活性層に対して上記利得領域の延びた方向に隣接し、多結晶、非晶質、およびそれらの混合物のいずれかからなり、当該活性層よりも大きなバンドギャップを有する窓部とを備える。

Description

半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法
　本発明は、半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法に関する。
　半導体レーザ素子における出射端面の近傍は、劈開時の欠陥導入やバンドギャップのシュリンクなどによる光吸収が大きい。また、窒化物系の半導体レーザ素子では電流非注入領域があるため、光吸収が更に大きくなり、温度が著しく上昇しやすい。端面での温度上昇は「端面結晶部の融解による急激な素子劣化（以下、ＣＯＤと称する。）」や「大電流領域においてレーザの出力が急降下する不具合（以下、Ｉ－Ｌ急降下と称する。）」の原因となっており、大出力かつ高信頼な半導体レーザ素子を実現する上での大きな課題となっている。
　従来のＧａＡｓ系やＩｎＰ系などの半導体レーザ素子では、端面での光吸収を抑制するために、端面部の材料のバンドギャップを広げた窓構造が適用されている。通常、端面の窓構造化は、端面部にイオンや不純物が注入され、これにより原子の相互拡散が促され、井戸層とバリア層が混晶化されることにより実現される。
　しかし、窒化物系半導体では原子間の結合性が強いという特徴があり、上記手法による窓構造の作製が本質的に困難である。仮に井戸層結晶とバリア層結晶が十分混晶化される程イオン注入が行われた場合、端面部周辺には結晶欠陥が大量に導入されてしまい、これが光吸収の原因となる。
　別の窓構造化の方法としては、端面部をエッチング技術で除去し、その後、バンドギャップの大きい材料を窓部として高温でコヒーレント成長させる手法がある。しかし、窒化物系材料は格子不整合材料であることから、下地と窓部材料の格子不整合により端面付近に数％オーダーの極めて大きな歪みが導入され、これがクラックや結晶欠陥の原因になる。
　例えば特許文献１には、上記課題を回避して端面の信頼性を向上させるために、端面近傍の領域にリッジメサを形成しないことで端面付近での光密度を低減させる技術が開示されている。
特許第５７１５３３２号公報
　一般的な有機金属気相成長法により窓部材料を成膜するのに最適な成長温度は、窓部材料として例えばＧａＮ、ＡｌＮおよびこれらの混晶が用いられた場合には、１０００°Ｃ以上１２００°Ｃ以下である。これに対し、活性層材料の最適成長温度は８００°Ｃ以下と遥かに低い。このため、窓部形成の際の熱が活性層や周辺の結晶を劣化させる恐れがある。そのため窒化物系材料の半導体レーザ素子においては、品質良く作成可能な窓部構造、および品質良く窓部を作成する手法が求められている。
　本発明は、窒化物系材料の半導体レーザ素子において品質の良い窓部を得ることを課題とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の一態様は、窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、光が増幅される利得領域を、層が広がる方向に延びた長尺形状で有し、窒化物半導体からなり、上記ｎ型半導体層に重なった活性層と、上記活性層に重なった、窒化物半導体からなるｐ型半導体層と、上記活性層に対して上記利得領域の延びた方向に隣接し、多結晶、非晶質、およびそれらの混合物のいずれかからなり、当該活性層よりも大きなバンドギャップを有する窓部とを備えたことを特徴とする。
　このような半導体レーザ素子によれば、窓部が高い透明度を有すると共に、窓部の形成に際して活性層におけるクラック発生などを抑制することができるので、品質の良い窓部を得ることができる。
　上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなることが好適である。このような組成の窓部は形成が容易である。
　上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、酸素と炭素の合計含有濃度が１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下であることが望ましい。このような含有濃度であることによって窓部では高い透明度が得られる。
　また、上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、（０００２）Ｘ線回折における半値幅が、１００ａｒｃｓｅｃ以上１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることも望ましい。（０００２）Ｘ線回折における半値幅は、窓部における結晶性の程度を示しており、この半値幅が大きい程、原子の並びが不規則で結晶性が低く、半値幅が小さい程、原子の並びが規則的で結晶性が高い。（０００２）Ｘ線回折における半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ未満であると活性層の劣化を生じる虞がある。また、半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃを越えると電流リークによる不良を生じる虞がある。
　上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、（０００２）Ｘ線回折における半値幅が、上記ｎ型半導体層側より上記ｐ型半導体層側で大きいことが望ましい。このような窓部では、結晶配向性がｎ型半導体層側でｐ型半導体層側よりも高い。この結果、結晶配向性の高いｎ型半導体層側で発生する応力が、結晶配向性の低いｐ型半導体層側では緩和されるため、クラックや転位が導入されることなく窓部１５０が形成される。
　上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、上記活性層と隣接した第１箇所に較べ、当該第１箇所よりも上記ｐ型半導体層側に位置する第２箇所、および当該第１箇所よりも上記ｎ型半導体層側に位置する第３箇所で屈折率が小さいことが好適である。このような屈折率分布によって、半導体レーザ素子における積層方向について光の閉じ込め効果が得られ、光損失が抑制される。
　また、上記屈折率分布の窓部を有する半導体レーザ素子において、上記第１箇所が、上記第２箇所および上記第３箇所とは屈折率の異なる窒化物系材料からなることが好ましい。屈折率の異なる材料が用いられることによって容易に上記屈折率分布が得られる。
　また、上記半導体レーザ素子において、上記窓部は、上記利得領域の延びた方向における厚さが１０μｍ以下であることが好適である。窓部が厚すぎると光損失が増大し、半導体レーザ素子の出力低下を生じるからである。
　また、上記半導体レーザ素子において、上記ｐ型半導体層から上記窓部まで上記利得領域に沿って延び、上記活性層から離れる方向に突出したリッジ部を有することが望ましい。リッジ部によって光の閉じ込め作用が生じ、光の進行方向が利得領域に沿った方向に揃うので半導体レーザ素子の出力が向上する。
　上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一態様は、それぞれが窒化物半導体からなる、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を順次に積層する積層工程と、上記ｎ型半導体層、上記活性層、および上記ｐ型半導体層からなる積層体の積層方向に進行するエッチングを行って、当該積層体の層が広がる方向の一部領域について少なくとも上記活性層を除去するエッチング工程と、上記エッチング工程によって上記活性層の一部が除去されて生じた端面に隣接させて窒化物系材料からなる窓部を形成する形成工程と、上記窓部の形成後にアニールを行って当該窓部の透明性を向上させるアニール工程と、を有する。
　このような製造方法によれば、窓部を望ましい結晶状態に形成することで品質の良い窓部を得ることができる。
　上記半導体レーザ素子の製造方法において、上記形成工程は、上記活性層の成膜温度以下の温度で上記窓部を形成し、上記アニール工程は、上記形成工程の温度を超える温度でアニールを行うことが望ましい。このような温度条件を満たすことにより、活性層の劣化を抑制しながら窓部を形成することができる。
　また、半導体レーザ素子の製造方法において、上記形成工程は、１００°Ｃ以上６００°Ｃ以下の温度で上記窓部を形成することが望ましい。１００°Ｃ未満での窓部形成は、結晶性が低すぎるため、アニール工程を経ても望ましい結晶状態への遷移が難しい。６００°Ｃ超での窓部形成は、活性層が劣化する虞がある。
　上記半導体レーザ素子の製造方法において、上記アニール工程は、処理温度をＴ（°Ｃ）、処理時間をｔ（ｈ）とした場合、
ｔ≦Ａ＊（Ｔ－Ｂ）２＋Ｃ（ただしＡ＝１０－５、Ｂ＝８００、Ｃ＝２．６）、かつ
ｔ≧ａ＊ｅｘｐ［－（Ｔ－ｂ）／ｃ］（ただしａ＝１５、ｂ＝７９０、ｃ＝８０）
の関係を満たすことが望ましい。ｔ＞Ａ＊（Ｔ－Ｂ）２＋Ｃであると、活性層の劣化を生じる虞がある。また、ｔ＜ａ＊ｅｘｐ［－（Ｔ－ｂ）／ｃ］であると、電流リークが発生する虞がある。
　本発明によれば、窒化物系材料の半導体レーザ素子において品質の良い窓部を得ることができる。
本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す図である。 半導体レーザ装置の製造工程を示すフローチャートである。 多層形成工程を示す図である 保護パターン形成工程を示す図である。 窓部半導体除去工程を示す図である。 窓部成長工程を示す図である。 リソグラフィー・エッチング工程とアニール工程を示す図である。 窓部の（０００２）Ｘ線回折半値幅の代表例を示す図である。 アニール処理の適切な条件範囲を示す図である。 リッジ形成工程を示す図である。 電極形成工程を示す図である。 劈開工程における劈開位置を示す図である。 劈開工程で得られるバーを示す図である 端面保護膜形成工程を示す図である。 チップ化工程における分割位置を示す図である。 チップ化工程で得られる半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の半導体レーザ素子の第１実施形態を示す図である。
　図１には、半導体レーザ素子１００の平面図と、Ａ－Ａ断面図と、Ｂ－Ｂ断面図が示されている。
　半導体レーザ素子１００は、基板１０１に対して順に積層された、ｎ側クラッド層１０２と、ｎ側ガイド層１０３と、活性層１０４と、ｐ側ガイド層１０５と、ｐ側クラッド層１０６と、コンタクト層１０７とを有する。
　第１実施形態では、基板１０１は例えばｎ型の窒化ガリウム（ｎ型ＧａＮ）からなり、ｎ側クラッド層１０２は例えばＡｌ濃度が１０％以下のｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ｎ型ＡｌＧａＮ）からなる。また、ｎ側ガイド層１０３は例えばｎ型ＧａＮからなり、活性層１０４は例えばＩｎ濃度が２０％以下の窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなり、ｐ側ガイド層１０５は例えばｐ型の窒化ガリウム（ｐ型ＧａＮ）からなる。また、ｐ側クラッド層１０６は例えばＡｌ濃度が１０％以下のｐ型の窒化アルミニウムガリウム（ｐ型ＡｌＧａＮ）からなり、コンタクト層１０７は例えばｐ型ＧａＮからなる。
　これらの層が積層された方向のことを、以下では積層方向と称する場合がある。つまり積層方向は、平面図における紙面に垂直な方向であり、Ａ－Ａ断面図における上下方向であり、Ｂ－Ｂ断面図における左右方向である。
　半導体レーザ素子１００は、平面図における左右方向に延びた形状を有し、この方向の両端に、活性層１０４に隣接した窓部１５０を有する。半導体レーザ素子１００における両端面に相当する窓部１５０の表面には、図示が省略された反射膜および保護膜が形成されて光共振器が構成されている。光共振器の長さは例えば１０００μｍであり、窓部１５０の厚さは例えば１０μｍである。光共振器は、半導体レーザ素子１００が延びた方向に沿って延びており、光共振器が延びた方向のことを、以下では共振方向と称する場合がある。つまり共振方向は、平面図およびＡ－Ａ断面図における左右方向であり、Ｂ－Ｂ断面図における紙面に垂直な方向である。
　ｐ側クラッド層１０６に対してコンタクト層１０７が積層されている箇所は、ｐ側クラッド層１０６から積層方向に突出するとともに共振方向に延びた形状のリッジストライプ１００ａとなっている。リッジストライプ１００ａの幅は例えば１０μｍである。リッジストライプ１００ａはｐ側クラッド層１０６に留まらず、窓部１５０にも形成されている。リッジストライプ１００ａのｐ側クラッド層１０６およびコンタクト層１０７を挟んだ両側には絶縁層１２０が形成されている。リッジストライプ１００ａを絶縁層１２０が挟んだ方向のことを、以下では幅方向と称する場合がある。つまり幅方向は、平面図およびＢ－Ｂ断面図における上下方向であり、Ａ－Ａ断面図における紙面に垂直な方向である。
　なお、以下の説明では、積層方向における基板１０１側からコンタクト層１０７側へと向かう向きのことを、重力方向とは無関係に「上」と称し、その逆の向きのことを、重力方向とは無関係に「下」と称する場合がある。
　半導体レーザ素子１００は、コンタクト層１０７の上に、リッジストライプ１００ａに沿って共振方向に延び、幅方向はコンタクト層１０７と同程度の幅である第１電極１１１を有する。この第１電極１１１はコンタクト層１０７とオーミック接続した電極である。半導体レーザ素子１００は、第１電極１１１の上に更に第２電極１１２を有する。この第２電極１１２は、幅方向に第１電極１１１よりも広く広がっており、絶縁層１２０と強く着いて第１電極１１１の剥がれを抑制する。これら第１電極１１１および第２電極１１２は、ｐ側電極とも総称される。
　基板１０１の下にはｎ側電極１１３が形成されている。ｐ側電極とｎ側電極１１３との間に電圧が印加されることにより、活性層１０４に電流が流れて発光する。但し、電流は、活性層１０４のうちリッジストライプ１００ａに相応した範囲のみに流れるので、その範囲が、光を増幅することができる利得領域１３０となる。この利得領域１３０で増幅され、両方の窓部１５０を繰り返し往復した光がレーザ光となって半導体レーザ素子１００から出射される。
　本実施形態の半導体レーザ素子１００が備える窓部１５０は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどから選択された材質からなり、単結晶ではなく、多結晶、非晶質、およびそれらの混合物のいずれかとなっている。このため窓部１５０は活性層１０４に対する応力が小さく、活性層１０４の劣化が抑制されている。また、窓部１５０は後述するアニールにより、活性層１０４よりも大きなバンドギャップを有するものとなっているので、半導体レーザ素子１００の発振光に対して透明度が高い。この結果、半導体レーザ素子１００ではＣＯＤやＩ－Ｌ急降下が抑制され、大出力かつ高信頼な半導体レーザ素子１００となっている。
　次に、このような構成の半導体レーザ素子１００を有する半導体レーザ装置の製造工程について説明する。
　図２は、半導体レーザ装置の製造工程を示すフローチャートである。
　半導体レーザ装置の製造工程には、多層形成工程Ｓ１０１から組み立て工程Ｓ１１２に至る合計で１２の工程が含まれ、各工程が順次に実行される。以下、各工程について図を参照して説明するが、図１および図２も適宜に参照する。
　図３は、多層形成工程Ｓ１０１を示す図である。
　多層形成工程Ｓ１０１では、基板１０１上に、ｎ側クラッド層１０２、ｎ側ガイド層１０３、活性層１０４、ｐ側ガイド層１０５、ｐ側クラッド層１０６、およびコンタクト層１０７がこの順で、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)により順次に積層されて積層体２００が形成される。各層の積層方法については、従来周知な任意の技術が用いられるものとし、ここでは詳細説明を省略する。
　図４は、保護パターン形成工程Ｓ１０２を示す図である。
　保護パターン形成工程Ｓ１０２では、積層体２００のコンタクト層１０７上に、窓部１５０が形成される箇所を除いた積層体２００の領域を保護する保護膜２０１が形成される。保護膜２０１は例えばリソグラフィー技術によって形成される。
　図５は、窓部半導体除去工程Ｓ１０３を示す図である。
　窓部半導体除去工程Ｓ１０３では、保護膜２０１で保護された領域以外の積層体２００の各箇所、即ち窓部１５０が形成される各箇所について、ｎ側クラッド層１０２に達する深さまでドライエッチング技術によって半導体材料が除去される。この結果、半導体材料が除去された各箇所には、半導体レーザ素子１００の幅方向に相当する方向に延びた溝２０２が形成される。
　図６は、窓部成長工程Ｓ１０４を示す図である。
　窓部成長工程Ｓ１０４では、半導体材料が除去された溝２０２に対して例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)により窓部材料１５１が成長される。窓部材料１５１としては、活性層１０４よりもバンドギャップの大きい材料が用いられる。例えばＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）は、積層体２００を構成している窒化物半導体との整合性が高く、窓部材料１５１として好ましい。
　窓部材料１５１の成長温度は１００°Ｃ以上６００°Ｃ以下が望ましく、より好ましくは２００°Ｃ以上５００°Ｃ以下である。
　このような成長温度で成長されることで窓部材料１５１は、多結晶と非晶質とそれらの混合物とのいずれかの状態になり、窓部材料１５１の下地となるｎ側クラッド層１０２や、窓部材料１５１が隣接する活性層１０４などとの格子不整合による応力発生が回避される。このため、格子不整合に伴うクラック発生や結晶欠陥導入が抑制されて窓部材料の成長が可能となる。
　なお、窓部材料１５１の成長温度が１００°Ｃ以下である場合には、成長した窓部材料１５１が極端な非晶質状となり、後述するアニール処理によっても所望の結晶状態が得られない。また、ＩｎＧａＮを成長させる際の最適温度は８００°Ｃ程度であるので、窓部材料の成長温度が６００°Ｃ以上である場合には、活性層１０４のＩｎＧａＮに対して熱によるダメージ導入の虞がある。
　ここで、窓部１５０の厚さについて検討する。本願発明者らは、窓部１５０の厚さが異なる様々な試作を繰り返した結果、以下の表１に示すように、窓部１５０の厚さが１０μｍ以下であると、高出力の半導体レーザ素子１００が得られることを見いだした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　これは、窓部１５０における光がモード伝搬ではなく自由伝搬により進行するため、レーザ出射方向に対する窓部１５０の寸法が大きすぎる場合、窓部１５０を光が進むにつれ徐々に発散し、これが光学損失の増大となるためと考えられる。
　図７は、リソグラフィー・エッチング工程Ｓ１０５とアニール工程Ｓ１０６を示す図である。
　図７には、図１に示すＡ－Ａ断面図に相当する積層体２００の断面図と、Ｃ－Ｃ断面図と、Ｄ－Ｄ断面図が示されている。
　リソグラフィー・エッチング工程Ｓ１０５では、保護パターン形成工程Ｓ１０２および窓部成長工程Ｓ１０４でコンタクト層１０７の上に成膜された余分な成膜物（即ち保護膜２０１および一部の窓部材料１５１）が、リソグラフィー技術およびウェットエッチング技術によって除去される。余分な成膜物が除去されることで積層体２００の最上層がコンタクト層１０７となり、窓部１５０が形成される。
　次に、アニール工程Ｓ１０６では、窓部１５０における不純物濃度を低減する目的で熱アニール（アニール処理とも称する）が実施される。窓部成長工程Ｓ１０４で窓部材料１５１が成長された際に、成長温度が低いため窓部材料１５１には酸素および炭素が不純物として多く含まれ、このままの状態では半導体レーザ素子１００として完成された場合に電流リークが発生してしまう。そのため、アニール工程Ｓ１０６では、窓部成長工程Ｓ１０４における成長温度よりも高い温度でのアニール処理が実施されて窓部１５０の不純物濃度が低減される。
　ここで、半導体レーザ素子１００の良好な素子特性が得られる不純物濃度について検討する。本願発明者らは、アニール処理の条件を変えて不純物濃度の異なる様々な試作を繰り返した結果、以下の表２に示すように、窓部１５０の不純物濃度が１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下の範囲である場合に、良好な素子特性が得られることを見いだした。ここで、不純物としては、酸素および炭素の一方である場合と双方を含む場合があるが、いずれの場合であっても不純物濃度としては上記範囲が好ましい。表２に示された窓部１５０の不純物濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって評価されたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　不純物濃度として、上限が存在する理由は上述した電流リークの発生と考えられる。一方で、不純物濃度に下限が存在する理由としては、不純物濃度が過少となるようなアニール処理は、アニール処理としては過剰であって、アニール処理時の熱に伴い活性層１０４の劣化が誘起されるためと考えられる。
　アニール処理が施されると、窓部１５０では結晶配向性が向上する。結晶配向性の程度は一般的なＸ線ロッキングカーブ測定によって評価可能である。窓部のような微小領域のみを選択的に測定する場合は、非測定領域に金属蒸着等によりマスクをかけることで、一般的なＸ線回折装置を用いて測定することができる。また、大型放射光施設を利用したマイクロＸ線回折法を用いれば、高精度かつ高空間分解能に測定することが実施できる。
　図８は、窓部１５０の（０００２）Ｘ線回折半値幅の代表例を示す図である。
　図８の横軸は（０００２）Ｘ線回折角ωを示し、縦軸は、回折スポットの強度を示す。
　図８には、アニール処理前の窓部１５０に対する（０００２）Ｘ線回折の測定カーブが点線で示されており、アニール処理前は（０００２）Ｘ線回折半値幅が１１００ａｒｃｓｅｃ程度の極めてブロードな測定カーブであった。これは窓部１５０の状態が、非晶質状態、多結晶状態、およびこれらが混合した状態のいずれかであることを示している。
　図８には、アニール処理後に良好な素子特性が得られた場合の窓部１５０に対する（０００２）Ｘ線回折の測定カーブが実線で示されており、アニール処理で窓部１５０の結晶配向性が向上した結果、（０００２）Ｘ線回折半値幅が例えば５００ａｒｃｓｅｃまで減少している。
　本願発明者らは、不純物濃度の場合と同様に、半導体レーザ素子１００の良好な素子特性が得られる（０００２）Ｘ線回折半値幅を検討した結果、以下の表３に示すように、Ｘ線回折半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ以上１０００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲である場合に、良好な素子特性が得られることを見いだした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　Ｘ線回折半値幅が１００ａｒｃｓｅｃ未満である場合は、窓部１５０における結晶配向性が高すぎて、窓部１５０に隣接する活性層１０４への応力が強くなり、活性層１０４の結晶が劣化する。この結果、半導体レーザ素子１００が不発振となったり、特性不良を示したりする。また、Ｘ線回折半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃを超す場合は、窓部１５０における結晶配向性が低すぎて電流リークを生じ、半導体レーザ素子１００が不発振となったり、特性不良を示したりする。
　なお、アニール処理に伴う窓部１５０の結晶配向性の向上は、下地や隣接する結晶に配向するように進行する。そのため、アニール処理を経て作成された窓部１５０の結晶配向性は、ｎ型半導体と接する窓部下面側１５０ｂ（図７参照）の方が窓部上面側１５０ａ（図７参照）よりも高いという傾向を示す。
　ところで、熱アニールにより非晶質・多結晶状の窓部１５０に熱エネルギーが与えられると、下地や隣接する結晶の軸に揃うように結晶化(即ち結晶配向性の向上)が進む。このような結晶化はｃ面（０００１）結晶部に接する部分で優先的に生じるため、窓部１５０の下面部１５０ｂ（図７参照）から上面部１５０ａ（図７参照）へ向かって結晶化が進行する。その結果、最終的に窓部１５０の下面部１５０ｂのようにｃ面結晶部に近い部分ほど結晶の配向性が高く、窓部１５０の上面部１５０ａのように下地から離れた部分では配向性が低い非晶質・多結晶状となる。一般に、窒化物半導体のような格子不整合系の材料では、下地層上に格子定数の大きく異なる材料をコヒーレント成長すると、数パーセントオーダーの極めて大きな歪みが導入され、これが原因でクラックや転位が導入される。一方、本実施形態では、下面の結晶部で発生する応力が上面の非晶質部で緩和される構造となっているため、クラックや転位が導入されることなく窓部１５０が形成される。逆に言えば、窓部下面側１５０ｂの方が窓部上面側１５０ａよりも結晶配向性が高い構造の窓部１５０はクラックや転位の導入を避けて形成することができる。
　アニール処理の条件としては、処理時間ｔ（ｈ）と処理温度Ｔ（°Ｃ）が複合的に寄与する。本願発明者らは、アニール処理の条件を変えて様々な試作を繰り返した結果、半導体レーザ素子１００で良好な素子特性が得られるアニール処理の適切な条件範囲を見いだした。
　図９は、アニール処理の適切な条件範囲を示す図である。
　図９の横軸は処理温度Ｔ（°Ｃ）を示し、縦軸は処理時間ｔ（ｈ）を示す。
　本願発明者らは、図９に示された斜線部の範囲であれば、半導体レーザ素子１００で良好な素子特性が得られることを見いだした。即ち、
ｔ≦Ａ＊（Ｔ－Ｂ）２＋Ｃ（ただしＡ＝１Ｅ－５、Ｂ＝８００、Ｃ＝２．６）、かつ
ｔ≧ａ＊ｅｘｐ［－（Ｔ－ｂ）／ｃ］（ただしａ＝１５、ｂ＝７９０、ｃ＝０）
の関係を満たすアニール処理により、良好な素子特性を示す半導体レーザ素子１００が得られる。
　ｔ＞Ａ＊（Ｔ－Ｂ）２＋Ｃの処理条件によるアニール処理の場合には、アニール処理が過剰となるので、アニール処理の熱に伴う活性層１０４の劣化や、窓部１５０の高い結晶配向性に伴う活性層１０４の結晶劣化などを生じる虞がある。
　ｔ＜ａ＊ｅｘｐ［－（Ｔ－ｂ）／ｃ］の処理条件によるアニール処理の場合には、アニール処理が過少となるので不純物濃度が充分に低下せず、電流リークが発生する虞がある。
　このようなアニール処理Ｓ１０６によって品質のよい窓部１５０が形成された後、リッジ形成工程Ｓ１０７が実行される。
　図１０は、リッジ形成工程Ｓ１０７を示す図である。
　図１０には、図１に示すＡ－Ａ断面図に相当する積層体２００の断面図と、Ｃ－Ｃ断面図と、Ｄ－Ｄ断面図が示されている。
　リッジ形成工程Ｓ１０７では、例えばドライエッチング技術によって積層体２００にリッジストライプ１００ａが形成される。リッジストライプ１００ａは、上述したように共振方向に延び、ｐ側クラッド層１０６および窓部１５０に連続して延びている。
　このようにリッジストライプ１００ａが形成されることにより、上述したように、リッジストライプ１００ａに相応した範囲が利得領域１３０となる。また、リッジストライプ１００ａが窓部１５０にも形成されていることによって幅方向のモードが立ち、リッジストライプ１００ａに相応する幅方向の範囲で光の閉じ込め作用が生じる。この結果、半導体レーザ素子１００の出力向上が図られる。
　図１１は、電極形成工程Ｓ１０８を示す図である。
　図１１にも、図１に示すＡ－Ａ断面図に相当する積層体２００の断面図と、Ｃ－Ｃ断面図と、Ｄ－Ｄ断面図が示されている。
　電極形成工程Ｓ１０８では、ｐ側クラッド層１０６の上に第１電極１１１が形成され、基板１０１の下にｎ側電極１１３が形成される。更に、第１電極１１１の上に第２電極１１２も形成されるが、図１１以降の図では図示が省略される。また、リッジストライプ１００ａを挟んだ幅方向の両側には絶縁層１２０が成膜される。
　図１２および図１３は、劈開工程Ｓ１０９を示す図である。
　図１２には、劈開工程Ｓ１０９における劈開位置が示され、図１３には、劈開工程Ｓ１０９で得られるバー２１０が示されている。
　劈開工程Ｓ１０９では、図１２に一点鎖線で示された劈開位置で積層体２００の劈開が行われる。即ち、劈開工程Ｓ１０９では窓部１５０の箇所で劈開が行われる。このような劈開の結果、図１３に示すように、窓部１５０の表面が、平滑性の高い劈開面となる。積層体２００の劈開で得られた複数のバー２１０は、複数の光共振器が幅方向に連なった構造となっている。
　図１４は、端面保護膜形成工程Ｓ１１０を示す図である。
　端面保護膜形成工程Ｓ１１０では、窓部１５０の表面を保護する保護膜１４０が、バー２１０の端面に形成される。なお、窓部１５０と保護膜１４０との間には、窓部１５０の表面における反射率を調整する、図示が省略された反射膜も形成されている。
　図１５および図１６は、チップ化工程Ｓ１１１を示す図である。
　図１５には、チップ化工程Ｓ１１１における分割位置が示され、図１６には、チップ化工程Ｓ１１１で得られる半導体レーザ素子１００が示されている。
　チップ化工程Ｓ１１１では、図１５に一点鎖線で示された分割位置でバー２１０が例えばダイシングによって分割される。即ち、バー２１０はリッジストライプ１００ａ同士の中間で分割される。このような分割により、図１６に示すように、複数の半導体レーザ素子１００が得られる。
　図２に示すように、チップ化工程Ｓ１１１の後は組み立て工程Ｓ１１２が実行される。この組み立て工程Ｓ１１２では、サブマウントに対する半導体レーザ素子１００の搭載や、半導体レーザ素子１００に対する配線の接続などが行われ、半導体レーザ装置が組み立てられる。
　以上説明した製造工程により、品質の良好な窓部１５０を有した高出力の半導体レーザ素子１００が作成されると共に、そのような半導体レーザ素子１００が搭載された高出力の半導体レーザ装置が製造される。
　次に、上述した第１実施形態の半導体レーザ素子１００とは窓部１５０の構造が異なる第２実施形態の半導体レーザ素子について説明する。なお、以下の説明では、第１実施形態との相違点に着目し、重複説明は省略する。
　図１７は、本発明の半導体レーザ素子の第２実施形態を示す図である。
　第２実施形態の半導体レーザ素子１０１は第１部分１５１と第２部分１５２と第３部分１５３とを有する窓部１５０を備えている。窓部１５０の第１部分１５１は活性層１０４に隣接している。また、第２部分１５２は第１部分１５１よりも上に位置し、活性層１０４の上に積層されたｐ型半導体材料の層であるｐ側クラッド層１０６とコンタクト層１０７に第２部分１５２は隣接している。また、第３部分１５３は第１部分１５１よりも下に位置し、活性層１０４の下に形成されたｎ型半導体材料の層であるｎ側クラッド層１０２に第３部分１５３は隣接している。
　第１部分１５１は、第２部分１５２および第３部分１５３に較べて高い屈折率を有している。具体例としては、例えば、第１部分１５１がＡｌＧａＮからなり第２部分１５２および第３部分１５３がＡｌＮからなる構造や、第１部分１５１がＧａＮからなり第２部分１５２および第３部分１５３がＡｌＧａＮからなる構造や、第１部分１５１が高屈折率のＡｌＧａＮからなり第２部分１５２および第３部分１５３が低屈折率のＡｌＧａＮからなる構造などが考えられる。
　このように第１部分１５１が第２部分１５２および第３部分１５３に較べて高い屈折率を有することにより、スラブ導波路として機能するため導波モードが許容される。そのため、第２実施形態の半導体レーザ素子１０１においては、光の発散が抑制されることにより、光損失が減少する。第２実施形態の半導体レーザ素子１０１は、上記第１実施形態の半導体レーザ素子１００に比べ、しきい値減少や電流－光出力のスロープ効率向上といった素子特性の向上が図られる。
　なお、第１部分１５１が第２部分１５２および第３部分１５３とは異なる材料からなることによって、上述した屈折率の関係が容易に得られ、光の発散抑制が容易に実現される。
　なお、上記の各実施形態に示された半導体材料は一例であり、本発明の半導体レーザ素子においては、上記例に限られず、任意の窒化物半導体が採用可能である。
　また、上記の各実施形態に示された窓部材料も一例であり、本発明の半導体レーザ素子における窓部の材料としては、上述した例に限られず任意の材料が採用可能である。
１００…半導体レーザ素子、１００ａ…リッジストライプ、１０１…基板、
１０２…ｎ側クラッド層、１０３…ｎ側ガイド層、１０４…活性層、
１０５…ｐ側ガイド層、１０６…ｐ側クラッド層、１０７…コンタクト層、
１１１…第１電極、１１２…第２電極、１１３…ｎ側電極、１２０…絶縁層、
１３０…利得領域、１５０…窓部、１５１…窓部材料、２００…積層体、２１０…バー、
 

Claims (13)

  1. 　窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、
    　光が増幅される利得領域を、層が広がる方向に延びた長尺形状で有し、窒化物半導体からなり、前記ｎ型半導体層に重なった活性層と、
    　前記活性層に重なった、窒化物半導体からなるｐ型半導体層と、
    　前記活性層に対して前記利得領域の延びた方向に隣接し、多結晶、非晶質、およびそれらの混合物のいずれかからなり、当該活性層よりも大きなバンドギャップを有する窓部とを備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 　前記窓部は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１－ｘ－ｙ）Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　前記窓部は、酸素および炭素の少なくとも一方からなる不純物の含有濃度が１０１８ｃｍ－３以上１０２０ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記窓部は、（０００２）Ｘ線回折における半値幅が、１００ａｒｃｓｅｃ以上１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 　前記窓部は、（０００２）Ｘ線回折における半値幅が、前記ｎ型半導体層側より前記ｐ型半導体層側で大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記窓部は、前記活性層と隣接した第１箇所に較べ、当該第１箇所よりも前記ｐ型半導体層側に位置する第２箇所、および当該第１箇所よりも前記ｎ型半導体層側に位置する第３箇所で屈折率が小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  7. 　前記第１箇所が、前記第２箇所および前記第３箇所とは屈折率の異なる窒化物系材料からなることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記窓部は、前記利得領域の延びた方向における厚さが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  9. 　前記利得領域に沿って前記ｐ型半導体層から前記窓部に連続して延び、前記活性層から離れる方向に突出したリッジ部を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 　それぞれが窒化物半導体からなる、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を順次に積層する積層工程と、
    　前記ｎ型半導体層、前記活性層、および前記ｐ型半導体層からなる積層体の積層方向に進行するエッチングを行って、当該積層体の層が広がる方向の一部領域について少なくとも前記活性層を除去するエッチング工程と、
    　前記エッチング工程によって前記活性層の一部が除去されて生じた端面に隣接させて窒化物系材料からなる窓部を形成する形成工程と、
    　前記窓部の形成後にアニールを行って当該窓部の透明性を向上させるアニール工程と、
    を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  11. 　前記形成工程は、前記活性層の成膜温度以下の温度で前記窓部を形成し、
    　前記アニール工程は、前記形成工程の温度を超える温度でアニールを行うことを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 　前記形成工程は、１００°Ｃ以上６００°Ｃ以下の温度で前記窓部を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  13. 　前記アニール工程は、処理温度をＴ（°Ｃ）、処理時間をｔ（ｈ）とした場合、
    ｔ≦Ａ＊（Ｔ－Ｂ）２＋Ｃ（ただしＡ＝１０－５、Ｂ＝８００、Ｃ＝２．６）、かつ
    ｔ≧ａ＊ｅｘｐ［－（Ｔ－ｂ）／ｃ］（ただしａ＝１５、ｂ＝７９０、ｃ＝８０）
    の関係を満たすことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ装置の製造方法。
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