JP5127642B2 - 窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体レーザ素子に関する。
近年、次世代の大容量ディスク用光源として、窒化物系半導体レーザ素子の利用が進められており、その開発が盛んに行われている。
このような窒化物半導体レーザ素子においては、活性層の主面の面方位を（１１−２０）面または（１−１００）面等の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面にすることにより、活性層に発生するピエゾ電場を低減でき、その結果、レーザ光の発光効率を向上させることが可能であることが知られている。ここで、上記のＨおよびＫは任意の整数であり、ＨおよびＫの少なくとも一方は０以外の整数である。
また、（０００１）面と（０００−１）面とを一対の共振器面とすることにより、窒化物系半導体レーザ素子の利得を向上させることができることが知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
特開平８−２１３６９２号公報
Japanese Journal of Applied Physics Vol.46，No.9，2007，pp.L187〜L189
このような窒化物半導体レーザ素子においては、活性層の主面の面方位を（１１−２０）面または（１−１００）面等の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面にすることにより、活性層に発生するピエゾ電場を低減でき、その結果、レーザ光の発光効率を向上させることが可能であることが知られている。ここで、上記のＨおよびＫは任意の整数であり、ＨおよびＫの少なくとも一方は０以外の整数である。
また、（０００１）面と（０００−１）面とを一対の共振器面とすることにより、窒化物系半導体レーザ素子の利得を向上させることができることが知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
特許文献１および非特許文献１に記載された窒化物系半導体レーザ素子においては、一対の共振器面のうち一方の（０００１）面はＧａ（ガリウム）極性面であり、他方の（０００−１）面はＮ（窒素）極性面である。Ｇａ極性面である（０００１）面はＧａ原子で覆われやすく、Ｎ極性面である（０００−１）面はＮ原子で覆われやすい。
半導体レーザ素子の一対の共振器面には、例えば酸化膜からなる保護膜が形成される。
しかしながら、上記の窒化物系半導体レーザ素子において、（０００１）面に酸化膜が形成されると、（０００１）面と酸化膜との界面において、Ｇａ原子とＯ（酸素）原子との結合に起因する表面準位が発生する。その表面準位により、（０００１）面と酸化膜との界面でレーザ光が吸収されやすくなる。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることができない。
本発明の目的は、発光効率が十分に向上された窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
半導体レーザ素子の一対の共振器面には、例えば酸化膜からなる保護膜が形成される。
しかしながら、上記の窒化物系半導体レーザ素子において、（０００１）面に酸化膜が形成されると、（０００１）面と酸化膜との界面において、Ｇａ原子とＯ（酸素）原子との結合に起因する表面準位が発生する。その表面準位により、（０００１）面と酸化膜との界面でレーザ光が吸収されやすくなる。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることができない。
本発明の目的は、発光効率が十分に向上された窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
（１）本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子は、［０００１］方向に延びる光導波路を有するとともに、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面を共振器面として有する窒化物系半導体層と、窒化物系半導体層の一端面に設けられ、窒素を構成元素として含む第１の保護膜と、窒化物系半導体層の他端面に設けられ、酸素を構成元素として含む第２の保護膜とを備えるものである。
この窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他側面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
（２）一端面から出射されるレーザ光の強度が、他端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きくてもよい。
この場合、（０００１）面からなる一端面が主たる光出射面となる。ここで、一端面は、（０００−１）面からなる他端面に比べて化学的に安定である。そのため、製造時において、（０００１）面には（０００−１）面に比べて凹凸形状が形成されにくい。それにより、レーザ光が一端面で散乱されにくい。したがって、リップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（３）光導波路における一端面の部分および光導波路における他端面の部分はそれぞれ凹凸形状を有し、一端面の凹凸形状の凹部の深さが他端面の凹凸形状の凹部の深さよりも小さくてもよい。
この場合、レーザ光は一端面で散乱されにくいので、一端面からリップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（４）他端面から出射されるレーザ光の強度が、一端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きくてもよい。
この場合、（０００−１）面からなる他端面が主たる光出射面となる。ここで、（０００１）面からなる一端面は、１３族元素によって覆われやすいため、酸化されやすい特性を有する。一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素原子で覆われやすいため、酸化されにくい特性を有する。それにより、主たる光出射面が酸化により劣化することが抑制され、安定した高出力動作を実現することができる。
（５）第１の保護膜は、酸素を構成元素としてさらに含み、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きくてもよい。
この場合、酸素を構成元素としてさらに含むことで、第１の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。しかも、第１の保護膜の組成比は、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素との結合に起因する表面準位を発生させる酸素の比が窒素の比よりも小さいため、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
（６）第２の保護膜は、窒素を構成元素としてさらに含み、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きくてもよい。
この場合、窒素を構成元素としてさらに含むことで、第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。しかも、第２の保護膜の組成比は、レーザ光の吸収が小さい酸素の比が窒素の比よりも大きいため、第２の保護膜でレーザ光が吸収されることが防止される。
なお、本発明の［０００１］方向に延びる光導波路、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面で示される結晶の軸方向および面方位は、上述の（１）と同様に、第１および第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制されるという効果の得られるものであれば、上述の結晶の軸方向あるいは面方位から多少ずれていてもよい。
この窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他側面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
（２）一端面から出射されるレーザ光の強度が、他端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きくてもよい。
この場合、（０００１）面からなる一端面が主たる光出射面となる。ここで、一端面は、（０００−１）面からなる他端面に比べて化学的に安定である。そのため、製造時において、（０００１）面には（０００−１）面に比べて凹凸形状が形成されにくい。それにより、レーザ光が一端面で散乱されにくい。したがって、リップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（３）光導波路における一端面の部分および光導波路における他端面の部分はそれぞれ凹凸形状を有し、一端面の凹凸形状の凹部の深さが他端面の凹凸形状の凹部の深さよりも小さくてもよい。
この場合、レーザ光は一端面で散乱されにくいので、一端面からリップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（４）他端面から出射されるレーザ光の強度が、一端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きくてもよい。
この場合、（０００−１）面からなる他端面が主たる光出射面となる。ここで、（０００１）面からなる一端面は、１３族元素によって覆われやすいため、酸化されやすい特性を有する。一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素原子で覆われやすいため、酸化されにくい特性を有する。それにより、主たる光出射面が酸化により劣化することが抑制され、安定した高出力動作を実現することができる。
（５）第１の保護膜は、酸素を構成元素としてさらに含み、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きくてもよい。
この場合、酸素を構成元素としてさらに含むことで、第１の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。しかも、第１の保護膜の組成比は、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素との結合に起因する表面準位を発生させる酸素の比が窒素の比よりも小さいため、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
（６）第２の保護膜は、窒素を構成元素としてさらに含み、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きくてもよい。
この場合、窒素を構成元素としてさらに含むことで、第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。しかも、第２の保護膜の組成比は、レーザ光の吸収が小さい酸素の比が窒素の比よりも大きいため、第２の保護膜でレーザ光が吸収されることが防止される。
なお、本発明の［０００１］方向に延びる光導波路、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面で示される結晶の軸方向および面方位は、上述の（１）と同様に、第１および第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制されるという効果の得られるものであれば、上述の結晶の軸方向あるいは面方位から多少ずれていてもよい。
本発明によれば、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止されるとともに、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
１．第１の実施の形態
（１）窒化物系半導体レーザ素子の構造
図１および図２は第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１のＡ１−Ａ１線は図２の縦断面位置を示し、図２のＡ２−Ａ２線は図１の縦断面位置を示す。
図１および図２に示すように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１は、Ｓｉ（シリコン）がドープされた厚み約１００μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１を有する。基板１０１のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
基板１０１は、（１１−２０）面から［０００−１］方向に約０．３度傾斜した結晶成長面を有するオフ基板である。図１に示すように、基板１０１の上面上には、［０００１］方向に延びる一対の段差部ＳＴが形成されている。１対の段差部ＳＴは基板１０１の両側部に位置する。各段差部ＳＴの深さは約０．５μｍであり、幅は約２０μｍである。
基板１０１の上面上には、Ｓｉがドープされた厚み約１００ｎｍのｎ型層１０２が形成されている。ｎ型層１０２はｎ型ＧａＮからなり、ｎ型層１０２へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型層１０２上には、Ｓｉがドープされた厚み約４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型クラッド層１０３のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型クラッド層１０３上には、Ｓｉがドープされた厚み約５ｎｍのｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなるｎ型キャリアブロック層１０４が形成されている。ｎ型キャリアブロック層１０４へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型キャリアブロック層１０４のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型キャリアブロック層１０４上には、Ｓｉがドープされた厚み約１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０５が形成されている。ｎ型光ガイド層１０５へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型光ガイド層１０５のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型光ガイド層１０５上には、活性層１０６が形成されている。活性層１０６は、厚み約２０ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる４つの障壁層１０６ａ（後述の図３参照）と厚み約３ｎｍのアンドープＩｎ０．６Ｇａ０．４Ｎからなる３つの井戸層１０６ｂ（後述の図３参照）とが交互に積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する。
活性層１０６上には、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされた厚み約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０７が形成されている。ｐ型光ガイド層１０７へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型光ガイド層１０７のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型光ガイド層１０７上には、Ｍｇがドープされた厚み約２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなるｐ型キャップ層１０８が形成されている。ｐ型キャップ層１０８へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型キャップ層１０８上には、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１０９が形成されている。ｐ型クラッド層１０９へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ここで、ｐ型クラッド層１０９は、ｐ型キャップ層１０８上に形成された平坦部１０９ｂと、その平坦部１０９ｂ上の中央部に［０００１］方向に延びるように形成された凸部１０９ａとを有する。
ｐ型クラッド層１０９の平坦部１０９ｂの厚みは約８０ｎｍであり、平坦部１０９ｂの上面から凸部１０９ａの上面までの高さは約３２０ｎｍである。また、凸部１０９ａの幅は約１．７５μｍである。
ｐ型クラッド層１０９の凸部１０９ａ上には、Ｍｇがドープされた厚み約１０ｎｍのｐ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１１０が形成されている。ｐ型コンタクト層１１０へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型コンタクト層１１０のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型クラッド層１０９の凸部１０９ａおよびｐ型コンタクト層１１０によりリッジ部Ｒｉが構成される。これにより、リッジ部Ｒｉの下方でかつ活性層１０６を含む部分に［０００１］方向に沿う光導波路ＷＧが形成される。
ｐ型コンタクト層１１０上には、オーミック電極１１１が形成されている。オーミック電極１１１は、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）およびＡｕ（金）がこの順で積層された構造を有する。Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕの膜厚は、それぞれ約５ｎｍ、約１００ｎｍおよび約１５０ｎｍである。
平坦部１０９ｂの上面、ｎ型クラッド層１０３の上面、および上記各層１０３〜１１１の側面を覆うように、厚み約２５０ｎｍの絶縁膜からなる電流狭窄層１１２が形成されている。本例では絶縁膜としてＳｉＯ２（酸化ケイ素）膜が用いられる。
オーミック電極１１１の上面、ならびに電流狭窄層１１２の側面および上面の所定領域には、パッド電極１１３が形成されている。パッド電極１１３は、Ｔｉ（チタン）、ＰｄおよびＡｕがこの順で積層された構造を有する。Ｔｉ、ＰｄおよびＡｕの厚みは、それぞれ約１００ｎｍ、約１００ｎｍおよび約３μｍである。
また、基板１０１の裏面上には、ｎ側電極１１４が形成されている。ｎ側電極１１４は、Ａｌ（アルミニウム）、ＰｔおよびＡｕがこの順で積層された構造を有する。Ａｌ、ＰｔおよびＡｕの厚みは、それぞれの約１０ｎｍ、約２０ｎｍおよび約３００ｎｍである。
ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が窒化物系半導体層を構成する。
ここで、窒化物系半導体レーザ素子１の一対の共振器面のうち反射率の低い共振器面を光出射面と呼び、反射率の高い共振器面を後面と呼ぶ。
図２に示すように、窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆは（０００１）面のへき開面からなり、後面１Ｂは（０００−１）面のへき開面からなる。これにより、光出射面１ＦがＧａ（ガリウム）極性面となり、後面１ＢがＮ（窒素）極性面となる。光導波路ＷＧに位置する光出射面１Ｆの部分、および光導波路ＷＧに位置する後面１Ｂの部分が、一対の共振器面となる。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＮ膜２１１およびＡｌ２Ｏ３膜２１２がこの順で積層された構造を有する。これにより、窒化膜であるＡｌＮ膜２１１が光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２１１およびＡｌ２Ｏ３膜２１２の膜厚は、それぞれ約１０ｎｍおよび約８５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、Ａｌ２Ｏ３膜２２１、反射膜２２２およびＡｌＮ膜２２３がこの順で積層された構造を有する。これにより、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１が後面１Ｂの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２２１の膜厚は１２０ｎｍである。反射膜２２２は、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。ＡｌＮ膜２２３の膜厚は約１０ｎｍである。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
上記の窒化物系半導体レーザ素子１のパッド電極１１３とｎ側電極１１４との間に電圧が印加されることにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂからレーザ光が出射される。
本実施の形態では、上述のように、光出射面１Ｆに反射率約８％の第１の誘電体多層膜２１０が設けられ、後面１Ｂに反射率約９５％の第２の誘電体多層膜２２０が設けられる。これにより、光出射面１Ｆから出射されるレーザ光の強度は、後面１Ｂから出射されるレーザ光の強度に比べて著しく大きくなる。すなわち、光出射面１Ｆがレーザ光の主たる出射面となる。
（２）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの詳細
図３および図４は、図２の窒化物系半導体レーザ素子１の一部拡大断面図である。図３に光導波路ＷＧにおける光出射面１Ｆおよびその近傍の拡大断面図が示され、図４に光導波路ＷＧにおける後面１Ｂおよびその近傍の拡大断面図が示されている。
図３および図４に示すように、活性層１０６は、４つの障壁層１０６ａと３つの井戸層１０６ｂとが交互に積層された構造を有する。光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおいて、活性層１０６の井戸層１０６ｂは、窒化物系半導体層の他の層よりも外側に突出している。そのため、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおける活性層１０６の部分には凹凸が形成されている。
光出射面１Ｆにおける活性層１０６の凹凸の凹部の深さＤ１（図３）は約１ｎｍである。一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂにおける活性層１０６の凹凸の凹部の深さＤ２（図４）は約６ｎｍである。なお、反射膜２２２の高屈折率膜（ＴｉＯ２膜）および低屈折率膜（ＳｉＯ２膜）のうち厚みの薄い膜（本例ではＴｉＯ２膜）の厚みが、後面１Ｂにおける凹凸の凹部の深さＤ２よりも大きくなるように調整される。この場合、後面１Ｂの凹凸を確実に覆うように第２誘電体多層膜２２０を容易に形成することができる。それにより、第２誘電体多層膜２２０の高い反射率を確保することができる。
活性層１０６に凹凸が形成される理由は次の通りである。後述のように、窒化物系半導体レーザ素子１の製造時には、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの清浄化が行われる。この清浄化工程においては、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマが光出射面１Ｆおよび後面１Ｂに照射される。それにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂがエッチングされる。
ここで、活性層１０６の井戸層１０６ｂの組成は、障壁層１０６ａ、ｎ型光ガイド層１０５、ｐ型光ガイド層１０７等の窒化物系半導体層の他の層の組成と大きく異なる。そのため、活性層１０６の井戸層１０６ｂのエッチング量と窒化物系半導体層の他の層のエッチング量とで差が生じる。それにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおける活性層１０６の部分に凹凸が形成される。
井戸層１０６ｂのＩｎ組成比が高いほど凹凸が顕著となる。この原因は、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比がＧａ組成比よりも大きい場合（０．５＜ｘ≦１である場合）、井戸層１０６ｂの組成と他の層の組成との差がより大きくなるためである。本実施の形態では、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比ｘは０．６である。
特に、窒化物系半導体層の（０００−１）面は、（０００１）面よりも化学的に不安定である。そのため、（０００−１）面における井戸層１０６ｂと他の層とのエッチング量の差は、（０００１）面における井戸層１０６ｂと他の層とのエッチング量の差よりも大きくなる。これにより、後面１Ｂの凹凸の凹部の深さＤ２が、光出射面１Ｆの凹凸の凹部の深さＤ１よりも大きくなる。
共振器面の凹凸の凹部の深さが大きくなると、その凹凸によりレーザ光が大きく散乱する。本実施の形態では、光出射面１Ｆが凹凸の小さい（０００１）面からなるので、光出射面１Ｆでのレーザ光の散乱を抑制することができる。その結果、レーザ発振時にリップルの少ない良好な遠視野像を得ることができる。
（３）窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法
上記構成を有する窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。
初めに、［０００１］方向に延びる複数の溝Ｇ（図１参照）が上面に形成された基板１０１を用意する。溝Ｇの深さは約０．５μｍであり、幅は約４０μｍである。隣接する２つの溝Ｇ間の間隔は約４００μｍである。なお、溝Ｇは、後工程で素子をチップ化するために予め形成されたものである。溝Ｇの一部が上述の段差部ＳＴを構成する。
基板１０１の上面上に、厚み約１００ｎｍのｎ型層１０２、厚み約４００ｎｍのｎ型クラッド層１０３、厚み約５ｎｍのｎ型キャリアブロック層１０４、厚み約１００ｎｍのｎ型光ガイド層１０５、厚み約９０ｎｍの活性層１０６、厚み約１００ｎｍのｐ型光ガイド層１０７、厚み約２０ｎｍのｐ型キャップ層１０８、厚み約４００ｎｍのｐ型クラッド層１０９、および厚み約１０ｎｍのｐ型コンタクト層１１０を例えば有機金属気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ）により順次形成する。
なお、上記活性層１０６の厚みは、４つの障壁層１０６ａおよび３つの井戸層１０６ｂの合計の厚みを示す。
その後、ｐ型化アニール処理、および図１のリッジ部Ｒｉの形成を行う。また、オーミック電極１１１、電流狭窄層１１２およびパッド電極１１３の形成を行う。さらに、基板１０１の裏面上にｎ側電極１１４を形成する。
続いて、以下のように共振器面（光出射面１Ｆおよび後面１Ｂ）の形成、ならびに共振器面への第１の誘電体多層膜２１０および第２の誘電体多層膜２２０の形成を行う。
上記の各層１０２〜１１０、オーミック電極１１１、電流狭窄層１１２およびパッド電極１１３が形成された基板１０１に［１−１００］方向に延びるスクライブ傷を形成する。スクライブ傷は、レーザスクライブまたは機械式スクライブにより、リッジ部Ｒｉを除く部分に破線状に形成する。
次に、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂが形成されるように基板１０１のへき開を行う。これにより、基板１０１が棒状に分離される。
その後、分離された基板１０１を、ＥＣＲスパッタ成膜装置に導入する。
光出射面１ＦにＥＣＲプラズマを５分間照射する。なお、プラズマは、約０．０２ＰａのＮ２ガス雰囲気中で、マイクロ波出力５００Ｗの条件で発生させる。これより、光出射面１Ｆが清浄化されるとともに軽微にエッチングされる。この際、スパッタターゲットにはＲＦパワー（高周波電力）を印加しない。その後、ＥＣＲスパッタ法により光出射面１Ｆに第１の誘電体多層膜２１０（図２参照）を形成する。
同様に、後面１Ｂにプラズマを５分間照射する。これより、後面１Ｂが清浄化されるとともに軽微にエッチングされる。この際、スパッタターゲットにはＲＦパワーを印加しない。その後、ＥＣＲスパッタ法により後面１Ｂに第２の誘電体多層膜２２０（図２参照）を形成する。
このように、ＥＣＲプラズマで光出射面１Ｆおよび後面１Ｂを清浄化することにより、共振器面の劣化および共振器面の光学的破壊の発生が抑制される。それにより、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を向上させることができる。
その後、基板１０１上に形成された溝Ｇの中央部で、棒状の基板１０１をチップ状に分離する。これにより、図１の窒化物系半導体レーザ素子１が完成する。
２．第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図５は第２の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図５では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図５のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２１２ａがこの順で積層された構造を有する。ここで、ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａの屈折率は約１．９である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２１２ａの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍおよび約６５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａおよび反射膜２２２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａの屈折率は約１．７である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａが後面１Ｂの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａの膜厚は約３０ｎｍである。反射膜２２２ａは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
３．第３の実施の形態
第３の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図６は第３の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図６では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図６のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＮ膜２１１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｂの屈折率は約１．９である。窒化膜であるＡｌＮ膜２１１ｂが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２１１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｂの膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６２ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｂ、Ａｌ２Ｏ３膜２２３ｂおよび反射膜２２４ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｂの屈折率は約１．９である。酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１ｂが後面１Ｂの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２２３ｂの膜厚は約６０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６０ｎｍである。反射膜２２４ｂは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
４．第４の実施の形態
第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図７は第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図７では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図７のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２１２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃの屈折率は約１．９であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｃの屈折率は約１．７である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｃの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約３５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｃおよび反射膜２２３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ｃの屈折率は約１．７であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｃの屈折率は約１．９である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２２１ｃが後面１Ｂの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃおよびＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｃの膜厚は約３０ｎｍおよび約３０ｎｍである。反射膜２２３ｃは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
５．請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記第１〜第４の実施の形態においては、光導波路ＷＧが［０００１］方向に延びる光導波路の例であり、光出射面１Ｆが（０００１）面からなる一端面の例であり、後面１Ｂが（０００−１）面からなる他端面の例である。
また、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂが共振器面の例であり、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が構成する窒化物系半導体層が窒化物系半導体層の例である。
第１の実施の形態では、ＡｌＮ膜２１１が窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、Ａｌ２Ｏ３膜２２１が酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第２の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第３の実施の形態では、ＡｌＮ膜２１１ｂが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第４の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
６．第１〜第４の実施の形態における効果
第１〜第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他端面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、一端面から出射されるレーザ光の強度が、他端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きい。
この場合、（０００１）面からなる一端面が主たる光出射面となる。ここで、一端面は、（０００−１）面からなる他端面に比べて化学的に安定である。そのため、製造時において、（０００１）面には（０００−１）面に比べて凹凸形状が形成されにくい。それにより、レーザ光が一端面で散乱されにくい。したがって、リップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
光導波路における一端面の部分および光導波路における他端面の部分はそれぞれ凹凸形状を有し、一端面の凹凸形状の凹部の深さが他端面の凹凸形状の凹部の深さよりも小さい。
この場合、レーザ光は一端面で散乱されにくいので、一端面からリップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（ａ）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂを覆う保護膜に関する効果
第１の実施の形態では、光出射面１Ｆを覆うようにＡｌＮ膜２１１が形成されている。すなわち、Ｇａ極性面である（０００１）面に窒化膜が形成されている。この場合、光出射面１ＦとＡｌＮ膜２１１との界面において、Ｇａ原子とＯ原子との結合に起因した表面準位の発生が防止される。それにより、光出射面１ＦとＡｌＮ膜２１１との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、第１の実施の形態では、後面１Ｂを覆うようにＡｌ２Ｏ３膜２２１が形成されている。すなわち、Ｎ極性面である（０００−１）面に酸化膜が形成されている。酸化膜によるレーザ光の吸収量は窒化膜によるレーザ光の吸収量に比べて少ない。また、Ｎ極性面である（０００−１）面と酸化膜との界面においては表面準位が発生しにくい。そのため、（０００−１）面に酸化膜が形成されることにより、レーザ光の発光効率をより十分に向上させることが可能となる。
第２の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
第３の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒化膜であるＡｌＮ膜２１１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第４の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒素の組成比が酸素の組成比より大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
（ｂ）（０００１）面が光出射面１Ｆであることの効果
本実施の形態では、（０００１）面が光出射面１Ｆとなるので、光出射面１Ｆにおける凹凸の凹部の深さが、後面１Ｂにおける凹凸の凹部の深さよりも小さい。それにより、光出射面１Ｆでのレーザ光の散乱を抑制することができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子１の動作時に、リップルの少ない良好な遠視野像を得ることができる。
また、後面１Ｂには反射率の高い第２の誘電体多層膜２２０が形成されるので、後面１Ｂの凹凸によりレーザ光の一部が散乱しても、散乱による反射量の減少の影響が小さい。その結果、レーザ光の出力の低下が抑制される。
７．第５の実施の形態
（１）窒化物系半導体レーザ素子の構造
第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図８は第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図８では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図８のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
図８に示すように、この窒化物系半導体レーザ素子１においては、光出射面１Ｆａが（０００−１）面のへき開面からなり、後面１Ｂａが（０００１）面のへき開面からなる。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、Ａｌ２Ｏ３膜２３１、ＡｌＮ膜２３２およびＳｉＯ２膜２３３がこの順で積層された構造を有する。これにより、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１が光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２３１、ＡｌＮ膜２３２およびＳｉＯ２膜２３３の膜厚は、それぞれ約１２０ｎｍ、約１０ｎｍおよび約９５ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約７％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＮ膜２４１、反射膜２４２およびＡｌＮ膜２４３がこの順で積層された構造を有する。これにより、窒化膜であるＡｌＮ膜２４１が後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２４１，２４３の膜厚は１０ｎｍである。反射膜２４２は、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
このように形成された窒化物系半導体レーザ素子１においては、パッド電極１１３とｎ側電極１１４との間に電圧が印加されることにより、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａからレーザ光が出射される。
本実施の形態では、上述のように、光出射面１Ｆａに反射率約７％の第３の誘電体多層膜２３０が設けられ、後面１Ｂａに反射率約９５％の第４の誘電体多層膜２４０が設けられる。これにより、光出射面１Ｆａから出射されるレーザ光の強度は、後面１Ｂａから出射されるレーザ光の強度に比べて大きくなる。すなわち、光出射面１Ｆａがレーザ光の主たる出射面となる。
ここで、本実施の形態においては、活性層１０６の障壁層１０６ａとしてアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを用い、活性層１０６の井戸層１０６ｂとしてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いる。
このように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１においては、井戸層１０６ｂにおけるＩｎ組成比が０．１５であり、Ｇａ組成比よりも極めて小さい。これにより、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａにおいて、活性層１０６の凹凸が大きくなることが十分に抑制される。
（２）窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法
上記構成を有する窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法について上記第１の実施の形態と異なる点を説明する。
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１の製造時においては、ｎ型層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が形成された基板１０１を、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａおよび（０００１）面からなる後面１Ｂａが形成されるようにへき開する。
その後、清浄化された光出射面１ＦａにＥＣＲスパッタ法により第３の誘電体多層膜２３０を形成する。また、清浄化された後面１ＢａにＥＣＲスパッタ法により第４の誘電体多層膜２４０を形成する。
その後、基板１０１上に形成された溝Ｇの中央部で、棒状の基板１０１をチップ状に分離する。これにより、図８の第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１が完成する。
８．第６の実施の形態
第６の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図９は第６の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図９では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図９のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２３２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａの屈折率は約１．７である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２３２ａの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍおよび約５７ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａおよび反射膜２４２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａの屈折率は約１．９である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａの膜厚は約３０ｎｍである。反射膜２４２ａは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
９．第７の実施の形態
第７の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図１０は第７の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１０では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図１０のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２３２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｂの屈折率は約１．９である。酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１ｂが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｂの膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約５２ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＮ膜２４１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４２ｂ、Ａｌ２Ｏ３膜２４３ｂおよび反射膜２４４ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｂの屈折率は約１．９である。窒化膜であるＡｌＮ膜２４１ｂが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２４１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２４３ｂの膜厚は約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６０ｎｍである。反射膜２４４ｂは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
１０．第８の実施の形態
第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図１１は第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１１では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図１１のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２３２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ｃの屈折率は約１．７であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｃの屈折率は１．９である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｃの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約１５ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２４２ｃおよび反射膜２４３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃの屈折率は約１．９であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｃの屈折率は約１．７である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃおよびＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｃの膜厚はそれぞれ約３０ｎｍおよび約３０ｎｍである。反射膜２４３ｃは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
１１．請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記第５〜第８の実施の形態においては、光導波路ＷＧが［０００１］方向に延びる光導波路の例であり、後面１Ｂａが（０００１）面からなる一端面の例であり、光出射面１Ｆａが（０００−１）面からなる他端面の例である。
また、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａが共振器面の例であり、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が構成する窒化物系半導体層が窒化物系半導体層の例である。
第５の実施の形態では、Ａｌ２Ｏ３膜２３１が酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＮ膜２４１が窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第６の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第７の実施の形態では、Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＮ膜２４１ｂが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第８の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
１２．第５〜第８の実施の形態における効果
第５〜第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他端面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、他端面から出射されるレーザ光の強度が、一端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きい。
この場合、（０００−１）面からなる他端面が主たる光出射面となる。ここで、（０００１）面からなる一端面は、１３族元素によって覆われやすいため、酸化されやすい特性を有する。一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素原子で覆われやすいため、酸化されにくい特性を有する。それにより、主たる光出射面が酸化により劣化することが抑制され、安定した高出力動作を実現することができる。
（ａ）光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａを覆う保護膜に関する効果
第５の実施の形態では、光出射面１Ｆａを覆うようにＡｌ２Ｏ３膜２３１が形成されている。すなわち、Ｎ極性面である（０００−１）面に酸化膜が形成されている。酸化膜によるレーザ光の吸収量は窒化膜によるレーザ光の吸収量に比べて小さい。また、（０００−１）面と酸化膜との界面においては表面準位が発生しにくい。そのため、（０００−１）面に酸化膜が形成されることにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、第５の実施の形態では、後面１Ｂａを覆うようにＡｌＮ膜２４１が形成されている。すなわち、Ｇａ極性面である（０００１）面に窒化膜が形成されている。この場合、後面１ＢａとＡｌＮ膜２４１との界面において、Ｇａ原子とＯ原子との結合に起因した表面準位の発生が防止される。それにより、後面１ＢａとＡｌＮ膜２４１との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第６の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
第７の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒化膜であるＡｌＮ膜２４１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第８の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
（ｂ）（０００−１）面が光出射面１Ｆａであることの効果
Ｇａ極性面である（０００１）面は、その表面がＧａ原子で覆われやすく、酸化されやすい特性を有する。一方、Ｎ極性面である（０００−１）面は、その表面がＮ原子で覆われやすく、酸化されにくい特性を有する。
本実施の形態では、（０００−１）面が光出射面１Ｆａとなる。それにより、光出射面１Ｆａが酸化により劣化することが抑制される。したがって、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を安定に維持することができ、安定した高出力動作を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、井戸層１０６ｂとしてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いる。このように、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比がＧａ組成比よりも極めて小さい場合には、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａにおける活性層１０６の凹凸が大きくなることが十分に抑制される。
これにより、（０００１）面よりも大きな凹凸が発生しやすい（０００−１）面においても、凹凸が大きくなることが防止される。その結果、光出射面１Ｆａから出射されるレーザ光の散乱が低減され、リップルの少ない良好な遠視野像が得られる。
１３．第５〜第８の実施の形態の変形例
次に、第５〜第８の実施の形態の変形例について説明する。上記実施の形態の窒化物系半導体レーザ素子１と本例の窒化物系半導体レーザ素子１とが異なる点は以下の点である。
本例では、ｎ型クラッド層１０３およびｐ型クラッド層１０９としてＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎを用いる。ｎ型クラッド層１０３へのＳｉのドーピング量およびｐ型クラッド層１０９へのＭｇのドーピング量は、上記実施の形態と同様である。また、ｎ型クラッド層１０３およびｐ型クラッド層１０９のキャリア濃度および厚みは、上記実施の形態と同様である。
また、本例では、ｎ型キャリアブロック層１０４としてｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを用い、ｎ型光ガイド層１０５としてｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用いる。ｎ型キャリアブロック層１０４およびｎ型光ガイド層１０５へのＭｇのドーピング量は第２の実施の形態と同様である。また、ｎ型キャリアブロック層１０４およびｎ型光ガイド層１０５のキャリア濃度および厚みは、上記実施の形態と同様である。
また、本例では、活性層１０６として、アンドープＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる３つの障壁層１０６ａとアンドープＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎからなる２つの井戸層１０６ｂとが交互に積層されたＭＱＷ構造の活性層１０６を用いる。各障壁層１０６ａおよび各井戸層１０６ｂの厚みは上記実施の形態と同様である。
また、本例では、ｐ型光ガイド層１０７としてｐ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、ｐ型キャップ層１０８としてｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを用いる。ｐ型光ガイド層１０７およびｐ型キャップ層１０８へのＭｇのドーピング量は第２の実施の形態と同様である。また、ｐ型光ガイド層１０７およびｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度および厚みは上記実施の形態と同様である。
本例では、活性層１０６に含まれるＩｎ組成比がＧａ組成比よりも大きい。この場合、光出射面１Ｆａにおける活性層１０６の部分がより酸化されやすい。そこで、酸化されにくい（０００−１）面を光出射面１Ｆａとすることにより、光出射面１Ｆａが酸化により劣化することを抑制することができる。したがって、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を安定に維持することができ、安定した高出力動作を実現することができる。
１４．他の実施の形態
（１）上記実施の形態では、第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における酸化膜がＡｌ２Ｏ３により形成され、窒化膜がＡｌＮにより形成され、酸窒化膜がＡｌＯＸＮＹにより形成されているが、これに限定されない。第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における酸化膜が、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２およびＡｌＳｉＯＸのうちいずれか１つまたは複数により形成されてもよい。ここで、Ｘは０より大きい実数である。また、第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における窒化膜が、例えば、ＡｌＮおよびＳｉ３Ｎ４のうち一方または両方により形成されてもよい。さらに、酸窒化膜が、例えば、ＡｌＯＸＮＹ、ＳｉＯＸＮＹおよびＴａＯＸＮＹのうちの１つまたは複数により形成されてもよい。ここで、ＸおよびＹは０より大きい実数である。
上記実施の形態において、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａ，２１２ｂ，２２２ｂ，２２１ｃ，２２２ｃ，２４１ａ，２３２ｂ，２４２ｂ，２３２ｃ，２４１ｃにおける窒素Ｎの組成比と酸素Ｏの組成比との比は、例えば５４(％)：４６（％）である。
上記実施の形態では、低屈折率膜の材料としてＳｉＯ２が用いられ、高屈折率膜の材料としてＴｉＯ２が用いられているが、これに限定されない。低屈折率膜の材料としてＭｇＦ２またはＡｌ２Ｏ３等の他の材料を用いてもよい。高屈折率膜の材料としてＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５またはＨｆＯ２等の他の材料を用いてもよい。
（２）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの少なくとも一方または光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａの少なくとも一方をへき開によって形成する場合、活性層１０６の主面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面から±約０．３度の範囲の任意の面方位を有してもよい。なお、ＨおよびＫは任意の整数であり、ＨおよびＫの少なくとも一方は０以外の整数である。また、へき開により形成された光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、それぞれ、（０００１）面および（０００−１）面から±約０．３度の範囲の任意の面方位を有してもよい。
また、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａをエッチング、研磨または選択成長等のへき開以外の方法により形成する場合、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、それぞれ、（０００１）面および（０００−１）面から±約２５度の範囲の任意の面方位を有してもよい。ただし、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、活性層１０６の主面に対して略垂直（９０度±約５度）であることが望ましい。
（３）基板１０１、ｎ型層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０には、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＴｌおよびＢのうち少なくとも一つを含む１３族元素の窒化物を用いることができる。具体的には、各層の材料として、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮまたはこれらの混晶からなる窒化物系半導体を用いることができる。
（４）第１、第３、第５及び第７の実施形態に関して、一端面（０００１）面において、半導体に接する１層目の保護膜としてＡｌＮ膜を形成する場合、ＡｌＮ膜が［０００１］方向に高い配向を持つように形成することが好ましい。この場合、［０００１］方向への熱伝導率が高まり、半導体界面での温度上昇を抑制することが可能となり、信頼性を向上させることができる。
また、第５の実施形態のように、１層目の保護膜以外の層として更に第２のＡｌＮ膜が形成されている場合については、１層目の第１のＡｌＮ膜と第２のＡｌＮ膜の配向方向は必ずしも一致する必要はなく、また、１層目の第１のＡｌＮ膜のように配向性を必ずしもを高くする必要はない。
（１）窒化物系半導体レーザ素子の構造
図１および図２は第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１のＡ１−Ａ１線は図２の縦断面位置を示し、図２のＡ２−Ａ２線は図１の縦断面位置を示す。
図１および図２に示すように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１は、Ｓｉ（シリコン）がドープされた厚み約１００μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１を有する。基板１０１のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
基板１０１は、（１１−２０）面から［０００−１］方向に約０．３度傾斜した結晶成長面を有するオフ基板である。図１に示すように、基板１０１の上面上には、［０００１］方向に延びる一対の段差部ＳＴが形成されている。１対の段差部ＳＴは基板１０１の両側部に位置する。各段差部ＳＴの深さは約０．５μｍであり、幅は約２０μｍである。
基板１０１の上面上には、Ｓｉがドープされた厚み約１００ｎｍのｎ型層１０２が形成されている。ｎ型層１０２はｎ型ＧａＮからなり、ｎ型層１０２へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型層１０２上には、Ｓｉがドープされた厚み約４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型クラッド層１０３のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型クラッド層１０３上には、Ｓｉがドープされた厚み約５ｎｍのｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなるｎ型キャリアブロック層１０４が形成されている。ｎ型キャリアブロック層１０４へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型キャリアブロック層１０４のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型キャリアブロック層１０４上には、Ｓｉがドープされた厚み約１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０５が形成されている。ｎ型光ガイド層１０５へのＳｉのドーピング量は約５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ型光ガイド層１０５のキャリア濃度は約５×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型光ガイド層１０５上には、活性層１０６が形成されている。活性層１０６は、厚み約２０ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる４つの障壁層１０６ａ（後述の図３参照）と厚み約３ｎｍのアンドープＩｎ０．６Ｇａ０．４Ｎからなる３つの井戸層１０６ｂ（後述の図３参照）とが交互に積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する。
活性層１０６上には、Ｍｇ（マグネシウム）がドープされた厚み約１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０７が形成されている。ｐ型光ガイド層１０７へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型光ガイド層１０７のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型光ガイド層１０７上には、Ｍｇがドープされた厚み約２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなるｐ型キャップ層１０８が形成されている。ｐ型キャップ層１０８へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型キャップ層１０８上には、Ｍｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１０９が形成されている。ｐ型クラッド層１０９へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ここで、ｐ型クラッド層１０９は、ｐ型キャップ層１０８上に形成された平坦部１０９ｂと、その平坦部１０９ｂ上の中央部に［０００１］方向に延びるように形成された凸部１０９ａとを有する。
ｐ型クラッド層１０９の平坦部１０９ｂの厚みは約８０ｎｍであり、平坦部１０９ｂの上面から凸部１０９ａの上面までの高さは約３２０ｎｍである。また、凸部１０９ａの幅は約１．７５μｍである。
ｐ型クラッド層１０９の凸部１０９ａ上には、Ｍｇがドープされた厚み約１０ｎｍのｐ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるｐ型コンタクト層１１０が形成されている。ｐ型コンタクト層１１０へのＭｇのドーピング量は約４×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型コンタクト層１１０のキャリア濃度は約５×１０１７ｃｍ−３である。
ｐ型クラッド層１０９の凸部１０９ａおよびｐ型コンタクト層１１０によりリッジ部Ｒｉが構成される。これにより、リッジ部Ｒｉの下方でかつ活性層１０６を含む部分に［０００１］方向に沿う光導波路ＷＧが形成される。
ｐ型コンタクト層１１０上には、オーミック電極１１１が形成されている。オーミック電極１１１は、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）およびＡｕ（金）がこの順で積層された構造を有する。Ｐｔ、ＰｄおよびＡｕの膜厚は、それぞれ約５ｎｍ、約１００ｎｍおよび約１５０ｎｍである。
平坦部１０９ｂの上面、ｎ型クラッド層１０３の上面、および上記各層１０３〜１１１の側面を覆うように、厚み約２５０ｎｍの絶縁膜からなる電流狭窄層１１２が形成されている。本例では絶縁膜としてＳｉＯ２（酸化ケイ素）膜が用いられる。
オーミック電極１１１の上面、ならびに電流狭窄層１１２の側面および上面の所定領域には、パッド電極１１３が形成されている。パッド電極１１３は、Ｔｉ（チタン）、ＰｄおよびＡｕがこの順で積層された構造を有する。Ｔｉ、ＰｄおよびＡｕの厚みは、それぞれ約１００ｎｍ、約１００ｎｍおよび約３μｍである。
また、基板１０１の裏面上には、ｎ側電極１１４が形成されている。ｎ側電極１１４は、Ａｌ（アルミニウム）、ＰｔおよびＡｕがこの順で積層された構造を有する。Ａｌ、ＰｔおよびＡｕの厚みは、それぞれの約１０ｎｍ、約２０ｎｍおよび約３００ｎｍである。
ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が窒化物系半導体層を構成する。
ここで、窒化物系半導体レーザ素子１の一対の共振器面のうち反射率の低い共振器面を光出射面と呼び、反射率の高い共振器面を後面と呼ぶ。
図２に示すように、窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆは（０００１）面のへき開面からなり、後面１Ｂは（０００−１）面のへき開面からなる。これにより、光出射面１ＦがＧａ（ガリウム）極性面となり、後面１ＢがＮ（窒素）極性面となる。光導波路ＷＧに位置する光出射面１Ｆの部分、および光導波路ＷＧに位置する後面１Ｂの部分が、一対の共振器面となる。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＮ膜２１１およびＡｌ２Ｏ３膜２１２がこの順で積層された構造を有する。これにより、窒化膜であるＡｌＮ膜２１１が光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２１１およびＡｌ２Ｏ３膜２１２の膜厚は、それぞれ約１０ｎｍおよび約８５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、Ａｌ２Ｏ３膜２２１、反射膜２２２およびＡｌＮ膜２２３がこの順で積層された構造を有する。これにより、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１が後面１Ｂの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２２１の膜厚は１２０ｎｍである。反射膜２２２は、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。ＡｌＮ膜２２３の膜厚は約１０ｎｍである。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
上記の窒化物系半導体レーザ素子１のパッド電極１１３とｎ側電極１１４との間に電圧が印加されることにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂからレーザ光が出射される。
本実施の形態では、上述のように、光出射面１Ｆに反射率約８％の第１の誘電体多層膜２１０が設けられ、後面１Ｂに反射率約９５％の第２の誘電体多層膜２２０が設けられる。これにより、光出射面１Ｆから出射されるレーザ光の強度は、後面１Ｂから出射されるレーザ光の強度に比べて著しく大きくなる。すなわち、光出射面１Ｆがレーザ光の主たる出射面となる。
（２）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの詳細
図３および図４は、図２の窒化物系半導体レーザ素子１の一部拡大断面図である。図３に光導波路ＷＧにおける光出射面１Ｆおよびその近傍の拡大断面図が示され、図４に光導波路ＷＧにおける後面１Ｂおよびその近傍の拡大断面図が示されている。
図３および図４に示すように、活性層１０６は、４つの障壁層１０６ａと３つの井戸層１０６ｂとが交互に積層された構造を有する。光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおいて、活性層１０６の井戸層１０６ｂは、窒化物系半導体層の他の層よりも外側に突出している。そのため、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおける活性層１０６の部分には凹凸が形成されている。
光出射面１Ｆにおける活性層１０６の凹凸の凹部の深さＤ１（図３）は約１ｎｍである。一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂにおける活性層１０６の凹凸の凹部の深さＤ２（図４）は約６ｎｍである。なお、反射膜２２２の高屈折率膜（ＴｉＯ２膜）および低屈折率膜（ＳｉＯ２膜）のうち厚みの薄い膜（本例ではＴｉＯ２膜）の厚みが、後面１Ｂにおける凹凸の凹部の深さＤ２よりも大きくなるように調整される。この場合、後面１Ｂの凹凸を確実に覆うように第２誘電体多層膜２２０を容易に形成することができる。それにより、第２誘電体多層膜２２０の高い反射率を確保することができる。
活性層１０６に凹凸が形成される理由は次の通りである。後述のように、窒化物系半導体レーザ素子１の製造時には、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの清浄化が行われる。この清浄化工程においては、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマが光出射面１Ｆおよび後面１Ｂに照射される。それにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂがエッチングされる。
ここで、活性層１０６の井戸層１０６ｂの組成は、障壁層１０６ａ、ｎ型光ガイド層１０５、ｐ型光ガイド層１０７等の窒化物系半導体層の他の層の組成と大きく異なる。そのため、活性層１０６の井戸層１０６ｂのエッチング量と窒化物系半導体層の他の層のエッチング量とで差が生じる。それにより、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂにおける活性層１０６の部分に凹凸が形成される。
井戸層１０６ｂのＩｎ組成比が高いほど凹凸が顕著となる。この原因は、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比がＧａ組成比よりも大きい場合（０．５＜ｘ≦１である場合）、井戸層１０６ｂの組成と他の層の組成との差がより大きくなるためである。本実施の形態では、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比ｘは０．６である。
特に、窒化物系半導体層の（０００−１）面は、（０００１）面よりも化学的に不安定である。そのため、（０００−１）面における井戸層１０６ｂと他の層とのエッチング量の差は、（０００１）面における井戸層１０６ｂと他の層とのエッチング量の差よりも大きくなる。これにより、後面１Ｂの凹凸の凹部の深さＤ２が、光出射面１Ｆの凹凸の凹部の深さＤ１よりも大きくなる。
共振器面の凹凸の凹部の深さが大きくなると、その凹凸によりレーザ光が大きく散乱する。本実施の形態では、光出射面１Ｆが凹凸の小さい（０００１）面からなるので、光出射面１Ｆでのレーザ光の散乱を抑制することができる。その結果、レーザ発振時にリップルの少ない良好な遠視野像を得ることができる。
（３）窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法
上記構成を有する窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。
初めに、［０００１］方向に延びる複数の溝Ｇ（図１参照）が上面に形成された基板１０１を用意する。溝Ｇの深さは約０．５μｍであり、幅は約４０μｍである。隣接する２つの溝Ｇ間の間隔は約４００μｍである。なお、溝Ｇは、後工程で素子をチップ化するために予め形成されたものである。溝Ｇの一部が上述の段差部ＳＴを構成する。
基板１０１の上面上に、厚み約１００ｎｍのｎ型層１０２、厚み約４００ｎｍのｎ型クラッド層１０３、厚み約５ｎｍのｎ型キャリアブロック層１０４、厚み約１００ｎｍのｎ型光ガイド層１０５、厚み約９０ｎｍの活性層１０６、厚み約１００ｎｍのｐ型光ガイド層１０７、厚み約２０ｎｍのｐ型キャップ層１０８、厚み約４００ｎｍのｐ型クラッド層１０９、および厚み約１０ｎｍのｐ型コンタクト層１１０を例えば有機金属気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ）により順次形成する。
なお、上記活性層１０６の厚みは、４つの障壁層１０６ａおよび３つの井戸層１０６ｂの合計の厚みを示す。
その後、ｐ型化アニール処理、および図１のリッジ部Ｒｉの形成を行う。また、オーミック電極１１１、電流狭窄層１１２およびパッド電極１１３の形成を行う。さらに、基板１０１の裏面上にｎ側電極１１４を形成する。
続いて、以下のように共振器面（光出射面１Ｆおよび後面１Ｂ）の形成、ならびに共振器面への第１の誘電体多層膜２１０および第２の誘電体多層膜２２０の形成を行う。
上記の各層１０２〜１１０、オーミック電極１１１、電流狭窄層１１２およびパッド電極１１３が形成された基板１０１に［１−１００］方向に延びるスクライブ傷を形成する。スクライブ傷は、レーザスクライブまたは機械式スクライブにより、リッジ部Ｒｉを除く部分に破線状に形成する。
次に、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂが形成されるように基板１０１のへき開を行う。これにより、基板１０１が棒状に分離される。
その後、分離された基板１０１を、ＥＣＲスパッタ成膜装置に導入する。
光出射面１ＦにＥＣＲプラズマを５分間照射する。なお、プラズマは、約０．０２ＰａのＮ２ガス雰囲気中で、マイクロ波出力５００Ｗの条件で発生させる。これより、光出射面１Ｆが清浄化されるとともに軽微にエッチングされる。この際、スパッタターゲットにはＲＦパワー（高周波電力）を印加しない。その後、ＥＣＲスパッタ法により光出射面１Ｆに第１の誘電体多層膜２１０（図２参照）を形成する。
同様に、後面１Ｂにプラズマを５分間照射する。これより、後面１Ｂが清浄化されるとともに軽微にエッチングされる。この際、スパッタターゲットにはＲＦパワーを印加しない。その後、ＥＣＲスパッタ法により後面１Ｂに第２の誘電体多層膜２２０（図２参照）を形成する。
このように、ＥＣＲプラズマで光出射面１Ｆおよび後面１Ｂを清浄化することにより、共振器面の劣化および共振器面の光学的破壊の発生が抑制される。それにより、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を向上させることができる。
その後、基板１０１上に形成された溝Ｇの中央部で、棒状の基板１０１をチップ状に分離する。これにより、図１の窒化物系半導体レーザ素子１が完成する。
２．第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図５は第２の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図５では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図５のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２１２ａがこの順で積層された構造を有する。ここで、ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａの屈折率は約１．９である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２１２ａの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍおよび約６５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａおよび反射膜２２２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａの屈折率は約１．７である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａが後面１Ｂの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ａの膜厚は約３０ｎｍである。反射膜２２２ａは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
３．第３の実施の形態
第３の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図６は第３の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図６では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図６のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＮ膜２１１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｂの屈折率は約１．９である。窒化膜であるＡｌＮ膜２１１ｂが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２１１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｂの膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６２ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｂ、Ａｌ２Ｏ３膜２２３ｂおよび反射膜２２４ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｂの屈折率は約１．９である。酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１ｂが後面１Ｂの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２２３ｂの膜厚は約６０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６０ｎｍである。反射膜２２４ｂは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
４．第４の実施の形態
第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図７は第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図７では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図７のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
窒化物系半導体レーザ素子１の光出射面１Ｆには、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。第１の誘電体多層膜２１０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２１２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃの屈折率は約１．９であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｃの屈折率は約１．７である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃが光出射面１Ｆの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２１１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜２１２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２１３ｃの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約３５ｎｍである。第１の誘電体多層膜２１０の反射率は約８％である。
一方、窒化物系半導体レーザ素子１の後面１Ｂには、第２の誘電体多層膜２２０が形成されている。第２の誘電体多層膜２２０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｃおよび反射膜２２３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２２１ｃの屈折率は約１．７であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２２２ｃの屈折率は約１．９である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２２１ｃが後面１Ｂの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃおよびＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２２２ｃの膜厚は約３０ｎｍおよび約３０ｎｍである。反射膜２２３ｃは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第２の誘電体多層膜２２０の反射率は約９５％である。
５．請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記第１〜第４の実施の形態においては、光導波路ＷＧが［０００１］方向に延びる光導波路の例であり、光出射面１Ｆが（０００１）面からなる一端面の例であり、後面１Ｂが（０００−１）面からなる他端面の例である。
また、光出射面１Ｆおよび後面１Ｂが共振器面の例であり、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が構成する窒化物系半導体層が窒化物系半導体層の例である。
第１の実施の形態では、ＡｌＮ膜２１１が窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、Ａｌ２Ｏ３膜２２１が酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第２の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第３の実施の形態では、ＡｌＮ膜２１１ｂが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、Ａｌ２Ｏ３膜２２１ｂが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。第４の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
６．第１〜第４の実施の形態における効果
第１〜第４の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他端面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、一端面から出射されるレーザ光の強度が、他端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きい。
この場合、（０００１）面からなる一端面が主たる光出射面となる。ここで、一端面は、（０００−１）面からなる他端面に比べて化学的に安定である。そのため、製造時において、（０００１）面には（０００−１）面に比べて凹凸形状が形成されにくい。それにより、レーザ光が一端面で散乱されにくい。したがって、リップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
光導波路における一端面の部分および光導波路における他端面の部分はそれぞれ凹凸形状を有し、一端面の凹凸形状の凹部の深さが他端面の凹凸形状の凹部の深さよりも小さい。
この場合、レーザ光は一端面で散乱されにくいので、一端面からリップルの少ない良好な遠視野像を効率良く得ることができる。
（ａ）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂを覆う保護膜に関する効果
第１の実施の形態では、光出射面１Ｆを覆うようにＡｌＮ膜２１１が形成されている。すなわち、Ｇａ極性面である（０００１）面に窒化膜が形成されている。この場合、光出射面１ＦとＡｌＮ膜２１１との界面において、Ｇａ原子とＯ原子との結合に起因した表面準位の発生が防止される。それにより、光出射面１ＦとＡｌＮ膜２１１との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、第１の実施の形態では、後面１Ｂを覆うようにＡｌ２Ｏ３膜２２１が形成されている。すなわち、Ｎ極性面である（０００−１）面に酸化膜が形成されている。酸化膜によるレーザ光の吸収量は窒化膜によるレーザ光の吸収量に比べて少ない。また、Ｎ極性面である（０００−１）面と酸化膜との界面においては表面準位が発生しにくい。そのため、（０００−１）面に酸化膜が形成されることにより、レーザ光の発光効率をより十分に向上させることが可能となる。
第２の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
第３の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒化膜であるＡｌＮ膜２１１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２２１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第４の実施の形態では、（０００１）面からなる光出射面１Ｆには、窒素の組成比が酸素の組成比より大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００−１）面からなる後面１Ｂには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２２１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
（ｂ）（０００１）面が光出射面１Ｆであることの効果
本実施の形態では、（０００１）面が光出射面１Ｆとなるので、光出射面１Ｆにおける凹凸の凹部の深さが、後面１Ｂにおける凹凸の凹部の深さよりも小さい。それにより、光出射面１Ｆでのレーザ光の散乱を抑制することができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子１の動作時に、リップルの少ない良好な遠視野像を得ることができる。
また、後面１Ｂには反射率の高い第２の誘電体多層膜２２０が形成されるので、後面１Ｂの凹凸によりレーザ光の一部が散乱しても、散乱による反射量の減少の影響が小さい。その結果、レーザ光の出力の低下が抑制される。
７．第５の実施の形態
（１）窒化物系半導体レーザ素子の構造
第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図８は第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図８では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図８のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
図８に示すように、この窒化物系半導体レーザ素子１においては、光出射面１Ｆａが（０００−１）面のへき開面からなり、後面１Ｂａが（０００１）面のへき開面からなる。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、Ａｌ２Ｏ３膜２３１、ＡｌＮ膜２３２およびＳｉＯ２膜２３３がこの順で積層された構造を有する。これにより、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１が光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２３１、ＡｌＮ膜２３２およびＳｉＯ２膜２３３の膜厚は、それぞれ約１２０ｎｍ、約１０ｎｍおよび約９５ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約７％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＮ膜２４１、反射膜２４２およびＡｌＮ膜２４３がこの順で積層された構造を有する。これにより、窒化膜であるＡｌＮ膜２４１が後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２４１，２４３の膜厚は１０ｎｍである。反射膜２４２は、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
このように形成された窒化物系半導体レーザ素子１においては、パッド電極１１３とｎ側電極１１４との間に電圧が印加されることにより、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａからレーザ光が出射される。
本実施の形態では、上述のように、光出射面１Ｆａに反射率約７％の第３の誘電体多層膜２３０が設けられ、後面１Ｂａに反射率約９５％の第４の誘電体多層膜２４０が設けられる。これにより、光出射面１Ｆａから出射されるレーザ光の強度は、後面１Ｂａから出射されるレーザ光の強度に比べて大きくなる。すなわち、光出射面１Ｆａがレーザ光の主たる出射面となる。
ここで、本実施の形態においては、活性層１０６の障壁層１０６ａとしてアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを用い、活性層１０６の井戸層１０６ｂとしてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いる。
このように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１においては、井戸層１０６ｂにおけるＩｎ組成比が０．１５であり、Ｇａ組成比よりも極めて小さい。これにより、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａにおいて、活性層１０６の凹凸が大きくなることが十分に抑制される。
（２）窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法
上記構成を有する窒化物系半導体レーザ素子１の製造方法について上記第１の実施の形態と異なる点を説明する。
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１の製造時においては、ｎ型層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が形成された基板１０１を、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａおよび（０００１）面からなる後面１Ｂａが形成されるようにへき開する。
その後、清浄化された光出射面１ＦａにＥＣＲスパッタ法により第３の誘電体多層膜２３０を形成する。また、清浄化された後面１ＢａにＥＣＲスパッタ法により第４の誘電体多層膜２４０を形成する。
その後、基板１０１上に形成された溝Ｇの中央部で、棒状の基板１０１をチップ状に分離する。これにより、図８の第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１が完成する。
８．第６の実施の形態
第６の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図９は第６の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図９では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図９のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２３２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａの屈折率は約１．７である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ａおよびＡｌ２Ｏ３膜２３２ａの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍおよび約５７ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａおよび反射膜２４２ａがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａの屈折率は約１．９である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ａの膜厚は約３０ｎｍである。反射膜２４２ａは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
９．第７の実施の形態
第７の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図１０は第７の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１０では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図１０のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２３２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｂの屈折率は約１．９である。酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１ｂが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｂの膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約５２ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＮ膜２４１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４２ｂ、Ａｌ２Ｏ３膜２４３ｂおよび反射膜２４４ｂがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｂの屈折率は約１．９である。窒化膜であるＡｌＮ膜２４１ｂが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＮ膜２４１ｂ、ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｂおよびＡｌ２Ｏ３膜２４３ｂの膜厚は約１０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約６０ｎｍである。反射膜２４４ｂは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
１０．第８の実施の形態
第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子について、第５の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子１と異なる点を説明する。
図１１は第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の縦断面図である。図１１では、第１の実施の形態における図２の縦断面図と同様に、［０００１］方向に沿った窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図が示されている。図１１のＡ２−Ａ２線における縦断面図は、図１の窒化物系半導体レーザ素子１の縦断面図と同じである。
光出射面１Ｆａには、第３の誘電体多層膜２３０が形成されている。第３の誘電体多層膜２３０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２３２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ｃの屈折率は約１．７であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｃの屈折率は１．９である。酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが光出射面１Ｆａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２３１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜２３２ｃおよびＡｌ２Ｏ３膜２３３ｃの膜厚は、それぞれ約３０ｎｍ、約３０ｎｍおよび約１５ｎｍである。第３の誘電体多層膜２３０の反射率は約８％である。
後面１Ｂａには、第４の誘電体多層膜２４０が形成されている。第４の誘電体多層膜２４０は、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃ、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２４２ｃおよび反射膜２４３ｃがこの順で積層された構造を有する。ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃの屈折率は約１．９であり、ＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｃの屈折率は約１．７である。窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい酸窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃが後面１Ｂａの保護膜として機能する。
ＡｌＯＸＮＹ膜２４１ｃおよびＡｌＯＸＮＹ膜２４２ｃの膜厚はそれぞれ約３０ｎｍおよび約３０ｎｍである。反射膜２４３ｃは、膜厚約７０ｎｍのＳｉＯ２膜と、膜厚約４５ｎｍのＴｉＯ２膜とが１層ずつ交互に各５層積層された１０層構造を有する。ＳｉＯ２膜は低屈折率膜として用いられ、ＴｉＯ２膜は高屈折率膜として用いられる。第４の誘電体多層膜２４０の反射率は約９５％である。
１１．請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記第５〜第８の実施の形態においては、光導波路ＷＧが［０００１］方向に延びる光導波路の例であり、後面１Ｂａが（０００１）面からなる一端面の例であり、光出射面１Ｆａが（０００−１）面からなる他端面の例である。
また、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａが共振器面の例であり、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０が構成する窒化物系半導体層が窒化物系半導体層の例である。
第５の実施の形態では、Ａｌ２Ｏ３膜２３１が酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＮ膜２４１が窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第６の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第７の実施の形態では、Ａｌ２Ｏ３膜２３１ｂが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＮ膜２４１ｂが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。第８の実施の形態では、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが酸素を構成元素として含む第２の保護膜の例であり、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃが窒素を構成元素として含む第１の保護膜の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
１２．第５〜第８の実施の形態における効果
第５〜第８の実施の形態に係る窒化物系半導体レーザ素子においては、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面が［０００１］方向に延びる光導波路の一対の共振器面となり、一端面および他端面からレーザ光が出射される。
（０００１）面からなる一端面は、１３族元素極性面であるので、ガリウム等の１３族元素で覆われやすい。ここで、窒素を構成元素として含む第１の保護膜が一端面に設けられるので、一端面と第１の保護膜との界面に１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生することが防止される。それにより、一端面と第１の保護膜との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。
一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素極性面であるので、窒素原子で覆われやすい。そのため、他端面では１３族元素と酸素との結合に起因する表面準位が発生しにくい。また、他端面には酸素を構成元素として含む第２の保護膜が設けられる。第２の保護膜が酸素を構成元素として含む場合、窒素を構成元素として含む場合に比べてレーザ光の吸収が小さくなる。したがって、第２の保護膜によるレーザ光の吸収が抑制される。
これらにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、他端面から出射されるレーザ光の強度が、一端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きい。
この場合、（０００−１）面からなる他端面が主たる光出射面となる。ここで、（０００１）面からなる一端面は、１３族元素によって覆われやすいため、酸化されやすい特性を有する。一方、（０００−１）面からなる他端面は、窒素原子で覆われやすいため、酸化されにくい特性を有する。それにより、主たる光出射面が酸化により劣化することが抑制され、安定した高出力動作を実現することができる。
（ａ）光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａを覆う保護膜に関する効果
第５の実施の形態では、光出射面１Ｆａを覆うようにＡｌ２Ｏ３膜２３１が形成されている。すなわち、Ｎ極性面である（０００−１）面に酸化膜が形成されている。酸化膜によるレーザ光の吸収量は窒化膜によるレーザ光の吸収量に比べて小さい。また、（０００−１）面と酸化膜との界面においては表面準位が発生しにくい。そのため、（０００−１）面に酸化膜が形成されることにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
また、第５の実施の形態では、後面１Ｂａを覆うようにＡｌＮ膜２４１が形成されている。すなわち、Ｇａ極性面である（０００１）面に窒化膜が形成されている。この場合、後面１ＢａとＡｌＮ膜２４１との界面において、Ｇａ原子とＯ原子との結合に起因した表面準位の発生が防止される。それにより、後面１ＢａとＡｌＮ膜２４１との界面の表面準位でレーザ光が吸収されることが防止される。したがって、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第６の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ａが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
第７の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸化膜であるＡｌ２Ｏ３膜２３１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒化膜であるＡｌＮ膜２４１ｂが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。
第８の実施の形態では、（０００−１）面からなる光出射面１Ｆａには、酸素の組成比が窒素の組成比よりも大きい酸化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＞Ｙ）２３１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、（０００１）面からなる後面１Ｂａには、窒素の組成比が酸素の組成比よりも大きい窒化膜であるＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２４１ｃが形成される。それにより、レーザ光の発光効率を十分に向上させることが可能となる。また、第１または第２の保護膜の屈折率を、窒素と酸素の組成比により、容易に変えることができ、保護膜の設計の自由度を上げることができる。
（ｂ）（０００−１）面が光出射面１Ｆａであることの効果
Ｇａ極性面である（０００１）面は、その表面がＧａ原子で覆われやすく、酸化されやすい特性を有する。一方、Ｎ極性面である（０００−１）面は、その表面がＮ原子で覆われやすく、酸化されにくい特性を有する。
本実施の形態では、（０００−１）面が光出射面１Ｆａとなる。それにより、光出射面１Ｆａが酸化により劣化することが抑制される。したがって、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を安定に維持することができ、安定した高出力動作を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、井戸層１０６ｂとしてアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いる。このように、井戸層１０６ｂのＩｎ組成比がＧａ組成比よりも極めて小さい場合には、光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａにおける活性層１０６の凹凸が大きくなることが十分に抑制される。
これにより、（０００１）面よりも大きな凹凸が発生しやすい（０００−１）面においても、凹凸が大きくなることが防止される。その結果、光出射面１Ｆａから出射されるレーザ光の散乱が低減され、リップルの少ない良好な遠視野像が得られる。
１３．第５〜第８の実施の形態の変形例
次に、第５〜第８の実施の形態の変形例について説明する。上記実施の形態の窒化物系半導体レーザ素子１と本例の窒化物系半導体レーザ素子１とが異なる点は以下の点である。
本例では、ｎ型クラッド層１０３およびｐ型クラッド層１０９としてＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎを用いる。ｎ型クラッド層１０３へのＳｉのドーピング量およびｐ型クラッド層１０９へのＭｇのドーピング量は、上記実施の形態と同様である。また、ｎ型クラッド層１０３およびｐ型クラッド層１０９のキャリア濃度および厚みは、上記実施の形態と同様である。
また、本例では、ｎ型キャリアブロック層１０４としてｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを用い、ｎ型光ガイド層１０５としてｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用いる。ｎ型キャリアブロック層１０４およびｎ型光ガイド層１０５へのＭｇのドーピング量は第２の実施の形態と同様である。また、ｎ型キャリアブロック層１０４およびｎ型光ガイド層１０５のキャリア濃度および厚みは、上記実施の形態と同様である。
また、本例では、活性層１０６として、アンドープＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる３つの障壁層１０６ａとアンドープＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎからなる２つの井戸層１０６ｂとが交互に積層されたＭＱＷ構造の活性層１０６を用いる。各障壁層１０６ａおよび各井戸層１０６ｂの厚みは上記実施の形態と同様である。
また、本例では、ｐ型光ガイド層１０７としてｐ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用い、ｐ型キャップ層１０８としてｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎを用いる。ｐ型光ガイド層１０７およびｐ型キャップ層１０８へのＭｇのドーピング量は第２の実施の形態と同様である。また、ｐ型光ガイド層１０７およびｐ型キャップ層１０８のキャリア濃度および厚みは上記実施の形態と同様である。
本例では、活性層１０６に含まれるＩｎ組成比がＧａ組成比よりも大きい。この場合、光出射面１Ｆａにおける活性層１０６の部分がより酸化されやすい。そこで、酸化されにくい（０００−１）面を光出射面１Ｆａとすることにより、光出射面１Ｆａが酸化により劣化することを抑制することができる。したがって、窒化物系半導体レーザ素子１のレーザ特性を安定に維持することができ、安定した高出力動作を実現することができる。
１４．他の実施の形態
（１）上記実施の形態では、第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における酸化膜がＡｌ２Ｏ３により形成され、窒化膜がＡｌＮにより形成され、酸窒化膜がＡｌＯＸＮＹにより形成されているが、これに限定されない。第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における酸化膜が、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２およびＡｌＳｉＯＸのうちいずれか１つまたは複数により形成されてもよい。ここで、Ｘは０より大きい実数である。また、第１〜第４の誘電体多層膜２１０，２２０，２３０，２４０における窒化膜が、例えば、ＡｌＮおよびＳｉ３Ｎ４のうち一方または両方により形成されてもよい。さらに、酸窒化膜が、例えば、ＡｌＯＸＮＹ、ＳｉＯＸＮＹおよびＴａＯＸＮＹのうちの１つまたは複数により形成されてもよい。ここで、ＸおよびＹは０より大きい実数である。
上記実施の形態において、ＡｌＯＸＮＹ膜（Ｘ＜Ｙ）２１１ａ，２１２ｂ，２２２ｂ，２２１ｃ，２２２ｃ，２４１ａ，２３２ｂ，２４２ｂ，２３２ｃ，２４１ｃにおける窒素Ｎの組成比と酸素Ｏの組成比との比は、例えば５４(％)：４６（％）である。
上記実施の形態では、低屈折率膜の材料としてＳｉＯ２が用いられ、高屈折率膜の材料としてＴｉＯ２が用いられているが、これに限定されない。低屈折率膜の材料としてＭｇＦ２またはＡｌ２Ｏ３等の他の材料を用いてもよい。高屈折率膜の材料としてＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５またはＨｆＯ２等の他の材料を用いてもよい。
（２）光出射面１Ｆおよび後面１Ｂの少なくとも一方または光出射面１Ｆａおよび後面１Ｂａの少なくとも一方をへき開によって形成する場合、活性層１０６の主面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面から±約０．３度の範囲の任意の面方位を有してもよい。なお、ＨおよびＫは任意の整数であり、ＨおよびＫの少なくとも一方は０以外の整数である。また、へき開により形成された光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、それぞれ、（０００１）面および（０００−１）面から±約０．３度の範囲の任意の面方位を有してもよい。
また、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａをエッチング、研磨または選択成長等のへき開以外の方法により形成する場合、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、それぞれ、（０００１）面および（０００−１）面から±約２５度の範囲の任意の面方位を有してもよい。ただし、光出射面１Ｆ，１Ｆａおよび後面１Ｂ，１Ｂａは、活性層１０６の主面に対して略垂直（９０度±約５度）であることが望ましい。
（３）基板１０１、ｎ型層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型キャリアブロック層１０４、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型光ガイド層１０７、ｐ型キャップ層１０８、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１０には、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＴｌおよびＢのうち少なくとも一つを含む１３族元素の窒化物を用いることができる。具体的には、各層の材料として、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮまたはこれらの混晶からなる窒化物系半導体を用いることができる。
（４）第１、第３、第５及び第７の実施形態に関して、一端面（０００１）面において、半導体に接する１層目の保護膜としてＡｌＮ膜を形成する場合、ＡｌＮ膜が［０００１］方向に高い配向を持つように形成することが好ましい。この場合、［０００１］方向への熱伝導率が高まり、半導体界面での温度上昇を抑制することが可能となり、信頼性を向上させることができる。
また、第５の実施形態のように、１層目の保護膜以外の層として更に第２のＡｌＮ膜が形成されている場合については、１層目の第１のＡｌＮ膜と第２のＡｌＮ膜の配向方向は必ずしも一致する必要はなく、また、１層目の第１のＡｌＮ膜のように配向性を必ずしもを高くする必要はない。
本発明は、光ピックアップ装置、表示装置、光源等ならびにそれらの製造に有効に利用できる。
１ 窒化物系半導体レーザ素子 １Ｂ，１Ｂａ 後面
１Ｆ，１Ｆａ 光出射面
１０１ ｎ型ＧａＮ基板
１０６ 活性層
１０６ａ 障壁層
１０６ｂ 井戸層
２１０ 第１の誘電体多層膜
２１１，２２３，２３２，２４１ ＡｌＮ膜
２１２，２２１，２３１ Ａｌ２Ｏ３膜
２２０ 第２の誘電体多層膜
２２２，２４２ 反射膜
２３０ 第３の誘電体多層膜
２３３ ＳｉＯ２膜
２４０ 第４の誘電体多層膜
１Ｆ，１Ｆａ 光出射面
１０１ ｎ型ＧａＮ基板
１０６ 活性層
１０６ａ 障壁層
１０６ｂ 井戸層
２１０ 第１の誘電体多層膜
２１１，２２３，２３２，２４１ ＡｌＮ膜
２１２，２２１，２３１ Ａｌ２Ｏ３膜
２２０ 第２の誘電体多層膜
２２２，２４２ 反射膜
２３０ 第３の誘電体多層膜
２３３ ＳｉＯ２膜
２４０ 第４の誘電体多層膜
Claims (4)
- ［０００１］方向に延びる光導波路を有するとともに、（０００１）面からなる一端面および（０００−１）面からなる他端面を共振器面として有する窒化物系半導体層と、
前記窒化物系半導体層の前記一端面に設けられ、前記一端面から順に積層されたＡｌＯ Ｘ Ｎ Ｙ 膜（Ｘ＜Ｙ）、ＡｌＯ Ｘ Ｎ Ｙ 膜（Ｘ＞Ｙ）と、
前記窒化物系半導体層の前記他端面に設けられ、前記他端面から順に積層されたＡｌＯ Ｘ Ｎ Ｙ 膜（Ｘ＞Ｙ）、ＡｌＯ Ｘ Ｎ Ｙ 膜（Ｘ＜Ｙ）とを備えることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。 - 前記一端面から出射されるレーザ光の強度が、前記他端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体レーザ素子。
- 前記光導波路における前記一端面の部分および前記光導波路における前記他端面の部分はそれぞれ凹凸形状を有し、
前記一端面の凹凸形状の凹部の深さが前記他端面の凹凸形状の凹部の深さよりも小さいことを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体レーザ素子。 - 前記他端面から出射されるレーザ光の強度が、前記一端面から出射されるレーザ光の強度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体レーザ素子。
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