JP3647236B2

JP3647236B2 - 窒化物半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3647236B2
Application number: JP35254097A
Authority: JP
Inventors: 孝夫山田; 俊雄松下; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: JPH11186659A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ、０≦a、０≦b、a＋b≦１）よりなるレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997）。図８はそのレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。基本的な構造としてはサファイア基板上に、ストライプ状に形成されたＳｉＯ２膜を介して選択成長されたｎ−ＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複数積層されてなる。（詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参照）
【０００３】
基本的なレーザ素子構造は、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎよりなる障壁層と、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎよりなる井戸層とが積層された活性層を、ｎ−Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ／ＧａＮとからなる超格子構造のｎ側クラッド層と、ｐ−Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ／ＧａＮとからなる超格子構造のｐ側クラッド層とで挟んだダブルへテロ構造を有する。超格子を構成する単一窒化物半導体層の膜厚はそれぞれ２５オングストロームである。さらにｐ型クラッド層の一部から上には同一ストライプ幅のリッジが形成されている。活性層の発光はリッジストライプの下にある導波路領域に集中し、共振面間で共振して、レーザとなって出射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザ素子ではレーザ光がマルチモードになりやすい傾向にあった。水平横モードはリッジストライプを狭くすることによりシングルモード化が図られているが、シングルモードを得るためにストライプ幅を狭くすると、リッジストライプの上に形成するオーミック電極の形成が難しくなる傾向にある。また電極面積も小さくなるために、微小部分に電流が集中することにより、レーザ素子の閾値が上昇したり、また発熱により素子自体の信頼性が低くなる。
【０００５】
一方垂直横モードでは、両クラッド層による光の閉じ込めが未だ不十分な傾向にある。例えばｎ側クラッド層から漏れた光は、屈折率が小さいサファイア基板で反射し、基板とｎ側クラッド層の間にある屈折率が大きいＧａＮ層中で導波する。そのＧａＮ層中で導波した光は、活性層端面から出射されるレーザ光と重なり合いファーフィールドパターン（ＦＦＰ）の形状を乱し、例えば出射されるレーザ光のスポットが複数となって現れ、マルチモードとなって観測される。マルチモードのレーザ素子はピックアップ用光源として使用するには非常に使いにくい。
【０００６】
従って本発明の目的とするところは、窒化物半導体レーザ素子を各種光源として使用するため、単一モードのＮＦＰ、ＦＦＰを有し、低閾値でレーザ光を長時間発振させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上にｎ側クラッド層と、活性層と、ｐ側クラッド層と、ｐ側コンタクト層を順に有し、活性層よりも上の層に、対向する共振面に対してほぼ垂直なリッジストライプを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記ｐ側クラッド層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、前記ｐ側コンタクト層とｐ側クラッド層の一部、若しくは全部に前記リッジストライプが形成されており、そのリッジのストライプ幅の少なくとも一方が共振面に接近するに従って狭くなるように形成され、前記ｐ側コンタクト層のリッジ最表面にストライプ状のｐ電極を有し、かつ少なくとも前記ｐ側コンタクト層とｐ側クラッド層の表面の絶縁膜を介して前記ｐ電極と電気的に接続したｐパッド電極が形成され、前記ｐ側クラッド層の膜厚は前記ｎ側クラッド層よりも薄く、さらに、前記ｎ側クラッド層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、そのｎ側クラッド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、前記リッジストライプは、出力側のストライプ幅が全反射側のストライプ幅よりも狭くされてなることを特徴とする。なおレーザの出力側、全反射側は、例えば共振面に形成する反射膜の反射率を調整することにより適宜決定することができる。
【０００９】
【００１０】
さらに、前記ｐ側クラッド層全体の厚さが２．０μｍ以下であり、かつそのｐ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｐ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
さらにまた本発明のレーザ素子において、前記ｎ側とｐ側のクラッド層との間にある活性層を含んだ窒化物半導体層の厚さが２００オングストローム以上、１．０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ素子において、クラッド層とは、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体を含む光閉じ込め層である。また超格子とは単一層の膜厚が１００オングストローム以下で、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指し、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層する。具体的な構成としては、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜X＜１）層と、そのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層と組成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／ＧａＮ、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Y＜１、Y＜X）、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Z＜１）等の３元混晶と３元混晶、若しくは３元混晶と２元混晶との組み合わせで超格子とすることができる。その中でも最も好ましくはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮとＧａＮとからなる超格子とする。これは、ｎ側クラッド層を超格子とする場合も同様である。なおクラッド層と、活性層とは接して形成されていなくても良いことは言うまでもない。
【００１３】
図１は本発明のレーザ素子の形状を示す模式的な斜視図であり、同時に積層構造も示している。また図２は、図１のレーザ素子をリッジ側から見た平面図である。このレーザ素子は、超格子よりなるｐ側クラッド層１８の一部にリッジストライプが形成され、そのリッジのストライプ幅の一方が共振面に接近するに従って狭くなるように形成され、もう一方のストライプ幅が共振面に接近するに従って広くなるように形成されている。
【００１４】
このように、好ましくはリッジの出力側のストライプ幅を狭くし、もう一方の全反射側を広くすることにより、リッジ下部のレーザ光は、ストライプ幅の狭いところで水平横モードがシングルモードとなる。一方、ストライプ幅の広い所はそのリッジ下部でマルチモードとなる可能性があるが、狭い部分ですでにシングルとなっているため、導波光が共振面間で共振している間に、広いところのマルチモードは狭い部分で減衰してしまうので、結局、ストライプ幅の広い部分に対応した共振面から出るレーザ光もシングルモードとなる。また、リッジのストライプ幅が次第に狭くなっている部分と、次第に広くなっている部分とがあるために、表面積は等間隔でストライプ幅を設けたものとほぼ同等であるか、若しくは実質的に広くできるために、狭い領域に電流が集中せず、リッジ均等に流れるため、素子自体の発熱も少なくなり信頼性も良くなる。
【００１５】
図４はリッジの形状を示す平面図であり、図２と異なりｎ電極は省略している。この図で説明すると、ストライプリッジを形成する場合、出力側のストライプ幅ａは、０．５μｍ〜５μｍ、さらに好ましくは１μｍ〜２μｍの範囲に調整することが望ましい。０．５μｍよりも狭くすると、そのクラッド層の上に積層されるコンタクト層のリッジ幅も同様に狭くなるため、オーミック用のｐ電極を形成するのが難しくなる傾向にある。一方、全反射側のストライプ幅ｂは、２μｍ〜２０μｍ、さらに好ましくは、４μｍ〜６μｍの範囲に調整することが望ましい。２μｍよりも狭くすると、もう一方のストライプ幅ａも２μｍよりも狭くせざるをえない。そのため全体のリッジ幅が狭くなりすぎて、電流がリッジに集中しすぎて、素子が発熱しやすい傾向にある。一方、２０μｍよりも広いと、リッジ下部での光のロスが大きく出力が低下しやすい傾向にある。
【００１６】
また、リッジのストライプ形状は図４に示すように途中で「くびれ」が無く、一定の角度でいずれか一方の方に狭くなっていることが最も好ましい。本発明ではその角度はできるだけ小さい方が望ましい。例えばレーザの共振方向に水平な方向に対しての、角度θは１０゜以内、さらに好ましくは８゜以内、最も好ましくは５゜以内に調整する。角度が急になると、その急になった部分から外部に光が漏れてリッジ下部に光が集中しにくいために、レーザとしての効率が悪くなり、出力が低下して、閾値が上昇しやすい傾向にある。そのため本発明ではできるだけ緩やかな角度で端面に接近するにつれて次第に狭くなったリッジストライプを形成し、狭い方を出力側とし、広い方を全反射側とする方が望ましい。好ましいリッジストライプとしては出力側ａを１〜３μｍ、全反射側を３〜８μｍとして、傾斜角を３゜以内としたリッジストライプを形成することが最も好ましい。
【００１７】
図５〜図７は本発明に係る他のリッジストライプの形状を示す平面図である。本発明では図５〜図６に示すように、両方のリッジストライプ幅も共振面に接近するに従って狭くなるように形成されていても良い。また、図７のようにストライプの中間に、共振面に接近するに従って一方が狭くなり、もう一方が広くなるような形状を有していても良い。但し、図５〜図７に示すように、広いストライプ幅から急激に狭くすると、前記角度θが大きくなって、そのくびれ部分から光が漏れやすくなって、レーザの出力が低くなる傾向にある。従って、図５〜図７のようなリッジストライプを形成する際においても、その傾斜角は１０゜以内に調整することが望ましい。
【００１８】
さらにまた本発明では、ｎ側クラッド層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、そのｎ側クラッド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成することにより、垂直横モードのレーザ光が制御できて、シングルモードとなりやすい。ｎ側クラッド層の厚さが０．５μｍよりも薄く、かつそのｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４よりも少ないと、ｎ側クラッド層としての光閉じ込めが不十分となり、ｎ側のコンタクト層で導波して、ＦＦＰが乱れ、閾値も上昇する傾向にある。好ましい積の値としては５．０以上、さらに好ましくは５．４以上にする。ベストモードとしては７以上に調整する。
【００１９】
例えば、前記ｎ側クラッド層の全体の厚さを０．８μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を５．５％以上とする。この場合の積は４．４以上である。好ましくはｎ側クラッド層の全体の厚さを１．０μｍ以上とし、そのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を５．０％以上とする。この場合の積は５．０以上である。さらに好ましくは、ｎ側クラッド層の全体の厚さを１．２μｍ以上とし、そのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を４．５％以上とする。この場合の積は５．４以上である。これはｎ側クラッド層の膜厚の関係と、超格子よりなるｎ側クラッド層のＡｌ平均組成の関係を具体的に示すものである。
【００２０】
またｐ側クラッド層についても、ｐ側クラッド層全体の厚さを２．０μｍ以下とし、かつそのｐ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｐ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成することもできる。この構成により垂直横モードのレーザ光が制御できて、シングルモードとなりやすい。なお、ｐ側クラッド層よりも、特にｎ側クラッド層を前記構成とすることが望ましい。なぜなら、ｐ側クラッド層に関しては、本願のような形状のリッジストライプとして、その上に電極を設けるため、電極で光が吸収されるために、垂直横モードの光の漏れがあってもほとんど無視できるからである。
【００２１】
但し、ｐ側クラッド層を以上のような構成とすると、そのｐ側クラッド層の膜厚はｎ側クラッド層よりも薄くすることが望ましい。なぜなら、ｐ側クラッド層のＡｌ平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚くすると、ＡｌＧａＮ層の抵抗値が大きくなる傾向にあり、ＡｌＧａＮの抵抗値が大きくなると、駆動電圧が高くなる傾向にあるからである。好ましい膜厚としては、１．５μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下にする。下限については特に限定しないが、クラッド層として作用させるためには、５０オングストーム以上の膜厚があることが望ましく、また、Ａｌの平均組成としては５０％以下が望ましい。
【００２２】
一般に、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮはＡｌ混晶比を大きくするに従い、バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率も小さくなることが知られている。理想的にはＡｌ混晶比Xの大きい、例えば０．５以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を、単一層で例えば数μｍの膜厚で成長させることができれば、工業的にも都合がよいのであるが、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮは厚膜で成長させにくい。単一層で特にＡｌ混晶比が０．５以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを成長させようとすると、例えば０．１μｍ以上で結晶中にクラックが入ってしまう。ところが本発明のようにＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮの臨界限界膜厚以下となるので、クラックが入りにくい。そのためクラッド層を超格子とするとＡｌ混晶比の高い層でも厚膜で成長できるようになり、それらを組み合わせることにより、光をｎ側のクラッド層から基板側に漏れないようにすることができる。
【００２３】
本発明において、超格子におけるＡｌ平均組成は、以下のような算出方法で求めるものとする。例えば２５オングストロームのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎと、２５オングストームのＧａＮとを２００ペア（１．０μｍ）積層した超格子の場合、１ペアが５０オングストローム、Ａｌを含む層のＡｌ混晶比が０．５であるため、０．５（２５／５０）＝０．２５となり、超格子におけるＡｌ平均組成は２５％である。一方、膜厚が異なる場合、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎを４０オングストロームと、ＧａＮを２０オングストロームとで積層した場合、膜厚の加重平均を行い、０．５（４０／６０）＝０．３３となり、Ａｌ平均組成は３３．３％とする。即ちＡｌを含む窒化物半導体層のＡｌ混晶比を、その窒化物半導体層が超格子１ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発明における超格子のＡｌ平均組成とする。またＡｌを両方含む場合も同様であり、例えばＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ２０オングストローム、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ３０オングストロームの場合も、０．１（２０／５０）＋０．２（３０／５０）＝０．１６、即ち１６％をＡｌ平均組成とする。なお以上の例はＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮについて説明したが、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮについても同じ算出方法を適用するものとする。従って、ｎ側クラッド層を成長させる場合には、以上の算出方法に基づいて成長方法を設計できる。また、ｎ側クラッド層のＡｌ平均組成は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）、オージェ等の分析装置を用いても検出できる。
【００２４】
【実施例】
［実施例１］
図１〜図３に基づき実施例１について説明する。図３は図１のレーザ素子にｐ電極を形成した後の構造を示す模式断面図であり、図１〜図３において同一符号で示されている箇所は同一箇所を示している。
【００２５】
（下地層２）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層２を４μｍの膜厚で成長させる。この下地層２は保護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層として作用する。下地層２はＡｌ混晶比X値が０．５以下のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦X≦０．５）を成長させることが望ましい。０．５を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。
【００２６】
（保護膜３）
下地層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層２の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３を１μｍの膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体層３が成長しやすい。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯＸ）、窒化ケイ素（ＳｉＸＮＹ）、酸化チタン（ＴｉＯＸ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯＸ）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有している。
【００２７】
（窒化物半導体基板４）
保護膜３形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなるＧａＮよりなる窒化物半導体基板４を２０μｍの膜厚で成長させる。成長後の窒化物半導体基板４の表面は、保護膜のストライプ中央部と、窓部のストライプ中央部にはストライプ状の保護膜と平行に結晶欠陥が表出していたが、後にレーザ素子のリッジ形成時に、リッジストライプがこの結晶欠陥に係らないようにすることにより、活性層に結晶欠陥が転位せず、素子の信頼性が向上する。窒化物半導体基板４はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成長させることができるが、このようにＭＯＶＰＥ法により成長させることもできる。窒化物半導体基板はＩｎ、Ａｌを含まないＧａＮを成長させることが最も好ましく、成長時のガスとしては、ＴＭＧの他、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はアンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最も望ましい。また、このＧａＮ基板にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を適当な範囲に調整してもよい。特に異種基板１、下地層２、保護膜３を除去する場合には、窒化物半導体基板がコンタクト層となるため、この窒化物半導体基板４にｎ型不純物をドープすることが望ましい。
【００２８】
（ｎ側バッファ層１１＝兼ｎ側コンタクト層）
次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、第２の窒化物半導体層４の上にＳｉを３×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層１１を５μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層は、図１のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ電極を形成するためのコンタクト層として作用する。また異種基板１〜保護膜３を除去して、窒化物半導体基板４に電極を設ける場合には、省略することもできる。このｎ側バッファ層１１は高温で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、９００℃以下の低温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μｍ以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
【００２９】
（クラック防止層１２）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなるクラック防止層１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
（ｎ側クラッド層１３＝超格子層）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたｎ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎよりなる第１の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止め、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる。この超格子よりなるｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が８．０％であるので、その膜厚との積は９．６となる。なおｎ側クラッド層に、バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００３１】
（ｎ側光ガイド層１４）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１４を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。
【００３２】
（活性層１５）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い活性層１４を成長させる。活性層は温度を８００℃に保持して、アンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４４０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
【００３３】
（ｐ側キャップ層１６）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層１７よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１６は０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００３４】
（ｐ側光ガイド層１７）
続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１６よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ型光ガイド層１４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。
【００３５】
（ｐ側クラッド層１８）
続いて、１０５０℃でＭｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎよりなる第３の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、アンドープＧａＮよりなる第４の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１８を成長させる。このｐ側クラッド層もＡｌの平均組成が８％であるので、膜厚との積は４．８となる。なお、ｐ側クラッド層も少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００３６】
ここで、クラッド層で挟まれたコア部分（導波部分）の膜厚について述べる。コア部分とは、ｎ側光ガイド層１４、活性層１５、ｐ側キャップ層１６、及びｐ側光ガイド層１７を合わせた領域、即ちｎ側クラッド層と、ｐ側クラッド層との間にある活性層を含む窒化物半導体層を指し、活性層の発光を導波する領域である。窒化物半導体レーザ素子の場合、ＦＦＰが単一ビームとならないのは、先にも述べたように、クラッド層から漏れた発光がｎ側のコンタクト層内で導波してマルチモードになるからである。その他、コア内で共振することによってマルチモードになる場合がある。本発明ではまずｎ側のクラッド層の膜厚を厚くして、Ａｌ平均組成を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア内の光をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、コア内でマルチモードができると、ＦＦＰは乱れる。そのため、本発明のｎ側クラッド層との関係において、コア内でマルチモードにならないようにするために、このコア部分の厚さも調整する方が望ましい。コア部分にマルチモードが発生しないようにするための好ましい厚さとしては、２００オングストローム以上、１．０μｍ以下、さらに望ましくは５００オングストローム〜０．８μｍ、最も望ましくは０．１μｍ〜０．５μｍの範囲に調整することが望ましい。２００オングストロームよりも薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が上昇する傾向にある。また１．０μｍよりも厚いとマルチモードになりやすい傾向にある。
【００３７】
（ｐ側コンタクト層１９）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１８の上に、Ｍｇを２×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１８を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１９はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。
【００３８】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。
【００３９】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７の一部とをエッチングして、図１、及び図２に示すような形状のリッジストライプを形成する。このリッジストライプは片方の共振面側のストライプ幅を２．０μｍに設定し、もう片方の共振面側のストライプ幅を４．０μｍに設定してあり、共振器長を５００μｍに設定することにより、レーザ共振方向に対する角度θを３゜以下にしている。なお、本実施例ではｐ側クラッド層の一部をリッジストライプとしているが、エッチング深さを深くして、ｐ側クラッド層の全部をリッジストライプとすることもできる。
【００４０】
また、リッジストライプを形成する際、そのリッジストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶欠陥が現れていない位置に形成する。結晶欠陥はストライプ状の保護膜３中央部、及びストライプ状の窓部中央部に現れやすい傾向にある。そのためその中央部を避けてリッジストライプを形成することにより、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子を長寿命とすることができ、信頼性が向上する。
【００４１】
次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。
【００４２】
次にｐ側コンタクト層１９のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成し、一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先ほど露出させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ状に形成した後、図３に示すようにｐ電極２０と、ｎ電極２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２よりなる絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介してｐ電極２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を形成する。ｐパッド電極はｐ層側に漏れる光を吸収する。
【００４３】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。
【００４４】
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において連続発振を示し、単レーザ光のＦＦＰは単一で、その形状も楕円形で形の良いものが得られていた。また、レーザ素子の特性に関しても、我々がJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）に発表したものに比較して、閾値が１５％以上低下し、寿命は６０％以上向上した。
【００４５】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側クラッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚１．０μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。なおｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が１０．０％であるので、その膜厚との積は１０．０である。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の特性を有していた。
【００４６】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側クラッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚０．７μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が１．０％であるので、その膜厚との積は７．０である。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の特性を有していた。
【００４７】
［実施例４］
実施例１において、ｎ側クラッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が６．０％であるので、その膜厚との積は４．８である。このレーザ素子もＦＦＰは実施例１と同等であり、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）に発表したものに比較して、閾値が８％以上低下し、寿命は３０％以上向上した。
【００４８】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側クラッド層１８を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層２５オングストロームと、アンドープＧａＮ層２５オングストロームとを、総膜厚１．４μｍで成長させる他は同様にして、レーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層は、Ａｌ平均組成が３．５％であるので、その膜厚との積は４．９である。このレーザ素子は実施例４のものとほぼ同等の特性を示した。
【００４９】
［実施例６］
実施例１において、ストライプ状のリッジを形成する際、そのリッジ形状を図５に示すような形状とする。但し、図５において、両出力側のストライプ幅は２μｍとし、中央部のストライプ幅は４μｍとして、その傾斜角を５゜以内に調整する。このレーザ素子も実施例１とほぼ等々の特性を示した。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると水平横モード、垂直横モード共にシングルモードが得られる。しかもレーザ光伸すポット形状も単一な楕円となり、一定のＦＦＰが得られる。窒化物半導体はサファイアという窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を使用するため、従来の問題は避けられないように思われてきたが、本発明によりサファイアに限らず、窒化物半導体よりも屈折率の小さい、どのような基板の上にレーザ素子を作製しても、シングルモードで、きれいな形状のレーザ光が得られるため、書き込み、読みとり光源として、その利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。
【図２】図１のレーザ素子をリッジ上部から見た平面図。
【図３】図１のレーザ素子にｐ電極を形成した後の構造を示す模式断面図。
【図４】リッジストライプの形状を示す平面図。
【図５】本発明に係るレーザ素子のリッジストライプの一形状を示す平面図。
【図６】本発明に係るレーザ素子のリッジストライプの一形状を示す平面図。
【図７】本発明に係るレーザ素子のリッジストライプの一形状を示す平面図。
【図８】従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・ＧａＮ下地層
３・・・保護膜
４・・・窒化物半導体基板
１１・・・ｎ側バッファ層
１２・・・クラック防止層
１３・・・ｎ側クラッド層
１４・・・ｎ側光ガイド層
１５・・・活性層
１６・・・ｐ側キャップ層
１７・・・ｐ側光ガイド層
１８・・・ｐ側クラッド層
１９・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・ｐ電極
２１・・・ｐパッド電極
２２・・・ｎ電極
２３・・・絶縁膜

Claims

基板上にｎ側クラッド層と、活性層と、ｐ側クラッド層と、ｐ側コンタクト層を順に有し、活性層よりも上の層に、対向する共振面に対してほぼ垂直なリッジストライプを有する窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｐ側クラッド層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、前記ｐ側コンタクト層とｐ側クラッド層の一部、若しくは全部に前記リッジストライプが形成されており、
そのリッジのストライプ幅の少なくとも一方が共振面に接近するに従って狭くなるように形成され、前記ｐ側コンタクト層のリッジ最表面にストライプ状のｐ電極を有し、かつ少なくとも前記ｐ側コンタクト層とｐ側クラッド層の表面の絶縁膜を介して前記ｐ電極と電気的に接続したｐパッド電極が形成され、
前記ｐ側クラッド層の膜厚は前記ｎ側クラッド層よりも薄く、さらに、
前記ｎ側クラッド層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、そのｎ側クラッド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
前記リッジストライプは、レーザ出力側のストライプ幅が全反射側のストライプ幅よりも狭くされてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記ｐ側クラッド層全体の厚さが２．０μｍ以下であり、かつそのｐ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した際に、ｐ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
前記ｎ側とｐ側のクラッド層との間にある活性層を含んだ窒化物半導体層の厚さが２００オングストローム以上、１．０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。