(57)【要約】【課題】スペックルノイズを低減する。【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層１０３と活性層１０５とｐ型クラッド層１０９とを順に積層したダブルヘテロ構造部と、活性層１０５を挟んで形成された一対のレーザ共振器端面と、レーザ共振器端面に形成され、レーザ共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜１１３と、を備えている。この半導体レーザ素子は、ウルツ鉱型半導体からなる。レーザ共振器端面は、Ｃ面（０００１）に形成されている。活性層１０５のバンドギャップをＥｇａｖとし、反射膜１１３のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす。（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ【選択図】図１
2010232425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のクラッド層と活性層と第二のクラッド層とを順に積層したダブルヘテロ構造部と、
前記活性層を挟んで形成された一対の共振器端面と、
少なくとも一の前記共振器端面に形成され、前記共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜と、
を備え、
少なくとも前記活性層及び前記反射膜がウルツ鉱型半導体からなり、
前記共振器端面が、極性を有する面に形成され、
前記活性層のバンドギャップをＥｇａｖとし、前記反射膜のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす、半導体レーザ素子。
（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ
【請求項２】
前記活性層及び前記反射膜の材料が同一の元素からなる請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層及び前記反射膜が、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）を含む、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
レーザ発振が開始する前の初期状態において、前記反射膜の吸収端波長と発振光の波長とが略同一であり、発振光が照射されることにより前記反射膜が振動する、請求項１乃至３いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記反射膜が共振器方向に積層されている、請求項１乃至４いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記反射膜が単結晶である、請求項１乃至５いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記ウルツ鉱型半導体が窒化物半導体である、請求項１乃至６いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記活性層及び前記反射膜は、ヘテロ構造からなる、請求項１乃至７いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記ヘテロ構造は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）及びＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ＜１）で構成される、請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ダブルヘテロ構造部が半導体基板の無極性面に形成されている、請求項１乃至９いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記反射膜が形成された前記共振器端面がウルツ鉱型半導体結晶の（０００１）面に形成されている、請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記ダブルヘテロ構造部が半導体基板の｛１−１００｝面に形成されている、請求項１乃至１１いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記ダブルヘテロ構造部が半導体基板の｛１１−２０｝面に形成されている、請求項１乃至１１いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記ダブルヘテロ構造部が半導体基板の｛１１−２２｝面に形成されている、請求項１乃至１１いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記ダブルヘテロ構造部が半導体基板の｛０００１｝面に形成されている、請求項１乃至１１いずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
第一のクラッド層と活性層と第二のクラッド層とを順に積層する工程と、
前記活性層を挟む一対の共振器端面を形成する工程と、
前記共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜を少なくとも一の前記共振器端面に積層する工程と、
を含み、
少なくとも前記活性層及び前記反射膜をウルツ鉱型半導体で形成し、
前記共振器端面を形成する前記工程において、前記共振器端面を極性を有する面に形成し、前記活性層のバンドギャップをＥｇａｖとし、前記反射膜のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす、半導体レーザ素子の製造方法。
（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。特に、１９９０年代半ば頃から、照明や各種ディスプレイ用途に、本材料を用いた紫外から青、緑色の波長領域の発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）の性能が急激に向上した。その結果、本材料を用いたＬＥＤの適用範囲は格段に広がり非常に大きな市場を形成している。また、本材料は次世代の高密度光ディスク用光源としても重要である。そのため、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）の研究開発が精力的に進められ、既に製品化も始まっている。
【０００３】
また、本材料を用いたＬＤは投射型ディスプレイ等の光源としても検討されている。例えば、特許文献１に開示されているＧａＮ基板上のインナーストライプ型レーザ構造により、良好なレーザ発振特性が得られている。
【０００４】
また、本発明の関連技術として、特許文献２を挙げることができる。特許文献２では、従来のエアリッジ型ＧａＮ系半導体レーザ素子よりも閾値電流値が低く、かつ動作電圧の低いエアリッジ型ＧａＮ系半導体レーザ素子が記載されている。
【０００５】
また、本発明の関連技術として、特許文献３を挙げることができる。特許文献３では、発振光の光エネルギーよりも大きなバンドギャップを有する保護層をレーザ端面に設けることが記載されている。これにより、高出力発信時においても高信頼性の超寿命の窒化物半導体レーザ装置を得ることができることが記載されている。また、保護層の厚みをλ／４ｎの奇数倍とすることで反射層をかねてもよいことが記載されている。
【０００６】
また、本発明の関連技術として、特許文献４を挙げることができる。特許文献４では、共振器面において、保護膜を窒化物半導体層に接触させ、かつ、この保護膜と異なる結晶構造からなる保護膜を共振器面から基板の第二主面に接触するように形成することにより、保護膜の共振器面への密着性を向上させることができることが記載されている。また、保護膜は、共振器面と同軸方向の窒化膜とすることで保護膜と共振器面との密着性を高めることができることが記載されている。そして、共振器面は、Ｍ面（１−１００）、Ａ面（１１−２０）、Ｃ面（０００１）又はＲ面（１−１０２）からなる群から選ばれる面、特にＭ軸配向が好ましいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−７８２１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７９３１１号公報
【特許文献３】特開２０００−４９４１０号公報
【特許文献４】特開２００８−２２７００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１〜４に記載の半導体レーザをディスプレイ用光源として用いる場合、レーザ光の可干渉性が原因で発生する「ちらつき」すなわちスペックルノイズの低減が重要な課題となる。従来は、このスペックルノイズを低減するために複数の独立したレーザ光を重ね合わせたり、時空間的に位相を変化させるための光学素子を用いる必要があり、光源の小型化や低コスト化が困難であった。
【０００９】
本発明は、スペックルノイズが低減され、小型、低コストかつ高性能な半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
第一のクラッド層と活性層と第二のクラッド層とを順に積層したダブルヘテロ構造部と、
前記活性層を挟んで形成された一対の共振器端面と、
少なくとも一の前記共振器端面に形成され、前記共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜と、
を備え、
少なくとも前記活性層及び前記反射膜がウルツ鉱型半導体からなり、
前記共振器端面が、極性を有する面に形成され、
前記活性層のバンドギャップをＥｇａｖとし、前記反射膜のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす、半導体レーザ素子が提供される。
（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ
【００１１】
また、本発明によれば、
第一のクラッド層と活性層と第二のクラッド層とを順に積層する工程と、
前記活性層を挟む一対の共振器端面を形成する工程と、
前記共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜を少なくとも一の前記共振器端面に積層する工程と、
を含み、
少なくとも前記活性層及び前記反射膜をウルツ鉱型半導体で形成し、
前記共振器端面を形成する前記工程において、前記共振器端面を極性を有する面に形成し、前記活性層のバンドギャップをＥｇａｖとし、前記反射膜のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす、半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スペックルノイズが低減され、小型、低コストかつ高性能な半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る半導体レーザ素子の斜視断面図である。
【図２】実施の形態に係る半導体レーザ素子の反射膜のミラーロススペクトルの一例を示す図である。
【図３】実施の形態に係る半導体レーザ素子のゲインスペクトルの一例を示す図である。
【図４】実施の形態に係る半導体レーザ素子のネットゲインスペクトルの一例を示す図である。
【図５】（ａ）実施の形態に係る半導体レーザ素子の第一状態の活性層のネットゲインと波長と関係を示す図である。（ｂ）実施の形態に係る半導体レーザ素子の第二状態の活性層のネットゲインと波長と関係を示す図である。（ｃ）実施の形態に係る半導体レーザ素子の第一状態の反射膜のミラーロスと波長と関係を示す図である。（ｄ）実施の形態に係る半導体レーザ素子の第二状態の反射膜のミラーロスと波長と関係を示す図である。（ｅ）実施の形態に係る第一状態の半導体レーザ素子のゲインと波長と関係を示す図である。（ｆ）実施の形態に係る第二状態の半導体レーザ素子のゲインと波長と関係を示す図である。
【図６】比較例の半導体レーザ素子の斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態の半導体レーザ素子を示す模式的な斜視断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層１０３（第一のクラッド層）と活性層１０５とｐ型クラッド層１０９（第二のクラッド層）とを順に積層したダブルヘテロ構造部と、活性層１０５を挟んで形成された一対のレーザ共振器端面と、レーザ共振器端面に形成され、レーザ共振器端面から発振される発振光を吸収する反射膜１１３と、を備えている。この半導体レーザ素子は、ウルツ鉱型半導体からなる。レーザ共振器端面は、Ｃ面（０００１）に形成されている。活性層１０５のバンドギャップをＥｇａｖとし、反射膜１１３のバンドギャップをＥｇｒとしたとき、下記式（１）を満たす。
（１）１×Ｅｇｒ≦Ｅｇａｖ≦１．２×Ｅｇｒ
【００１６】
本実施形態の半導体レーザ素子は、ｎ型基板１０１（半導体基板）の｛１−１００｝面（ｍ面、無極性面）上に作製する。反射膜１１３は、ウルツ鉱型半導体からなり、共振器方向、すなわち、Ｃ軸方向［０００１］方向に積層されている。そのため、発振光を吸収していない状態１の反射膜１１３は、ピエゾ電界により共振器方向に分極電場を有する。そして、反射膜１１３は、このピエゾ電界により、反射膜１１３を構成する材料のバンドギャップよりも反射膜１１３のバンドギャップが縮小されるように設計されている。
【００１７】
この素子は、活性層１０５及び反射膜１１３のバンドギャップが上記式（１）を満たす。これにより、レーザ発振が開始する前の初期状態において、反射膜１１３の吸収端波長と発振光の波長とが略同一となる。したがって、共振器端面から光が発振されると、反射膜１１３は発振光の一部を吸収する。これにより、反射膜１１３内に励起キャリアが発生し、励起キャリアの密度の上昇に応じて、内部電界がスクリーニング（遮蔽）されることになる。したがって、バンドギャップエネルギーが大きくなり、反射膜１１３のミラーロスαｍが減少し（図２中破線２）、素子から出射されるレーザ光の波長は長波になる（図３破線２）。一方、発振光を吸収している状態２の反射膜１１３は、バンドギャップエネルギーが大きくなることで、吸収端波長が短くなり、活性層１０５からの発振光の吸収量が小さくなる。これにより、反射膜１１３におけるキャリア密度が徐々に減少し、内部電界がスクリーニング（遮蔽）されなくなる。その結果、反射膜１１３のバンドギャップエネルギーが小さくなり、ミラーロスαｍが増加して状態１の反射膜１１３のミラーロスと同じになる（図２中実線１）。したがって、レーザ素子から出射されるレーザ光の波長は短波になる（図３実線１）。以降周期的に、状態１と状態２との間で変動し、ミラーロススペクトルが状態１と状態２との間で変動する。このように、発振光が照射されることにより反射膜１１３は振動する。
【００１８】
以下、図２〜５を用いて本実施形態の半導体レーザの原理についてさらに詳細に説明する。図２、５（ｃ）（ｄ）は、反射膜１１３のミラーロススペクトルを有している。図２において、横軸は反射膜１１３が吸収した光のエネルギー（Ｅｇ）を示す。図５（ｃ）、（ｄ）において、横軸は反射膜１１３の吸収端波長（λ）を示す。図３、５（ｅ）（ｆ）は、本実施形態の半導体レーザのゲインスペクトルを有している。図３において、横軸は出射光のエネルギー（Ｅｇ）を示し、図５（ｅ）、（ｆ）において、横軸は出射光の波長（λ）を示す。図４、５（ａ）、（ｂ）は、活性層１０５のネットゲインスペクトルを有している。図４において、横軸は発振光のエネルギー（Ｅｇ）を示し、図５（ａ）、（ｂ）において、横軸は発振光の波長（λ）を示す。図５（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、反射膜１１３が発振光を吸収していない第一状態を示し、図５（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、反射膜１１３が発振光を吸収した第二状態を示す。
【００１９】
ネットゲインＧ’は下記式（１）で定義される。
Ｇ’＝Γ×ｇ−αｉ（１）
但し、Γは活性層１０５の閉込係数、ｇは利得係数（ｃｍ−１）、αｉは半導体レーザ素子の全損失に対する吸収係数（ｃｍ−１）である。
【００２０】
ゲインＧは下記式（２）で定義される。
Ｇ＝Ｇ’−αｍ（２）
【００２１】
図４、図５（ａ）、（ｂ）で示すように、活性層１０５のネットゲインスペクトルは、状態１と状態２との間で変化しない。換言すると、光の発振前後において、活性層１０５のバンドギャップは変化しない。
【００２２】
この素子は、活性層１０５及び反射膜１１３のバンドギャップが上記式（１）を満たす。したがって、反射膜１１３の吸収端波長と活性層１０５の発振光の波長とが略同一となるように設計されている。略同一とは、反射膜１１３の吸収端波長ＡＥと発振光の波長γとが、１／ＡＥ≦１／γ≦１．２／ＡＥを満たすようにすると好ましく、１／ＡＥ≦１／γ≦１．１／ＡＥを満たすようにするとより好ましい。活性層１０５及び反射膜１１３の材料が同一の元素からなると、活性層１０５及び反射膜１１３のバンドギャップを容易に上記式（１）を満たすようにすることができる。また、反射膜１１３は、発振光を吸収することで、ピエゾ電界が遮蔽され、バンドギャップエネルギーが上昇するように設計されている。そのため、図２で示すように、状態２では、ミラーロススペクトルが高エネルギー側にシフトとする。一方、前述のように、ネットゲインスペクトルは光の発振前後で変化しない。そのため、図３で示すように、ゲインスペクトルは、低エネルギー側にシフトする。したがって、レーザ発振直後には波長λ１でレーザ光を出射するが（図５（ｅ）、図３中実線１）、反射膜１１３が波長λ１の発振光を吸収することで、波長がより長波のλ２（λ１＜λ２）で出射する（図５（ｆ）、図３中破線２）。
【００２３】
図５（ｄ）で示すように、状態２では、吸収端波長ＡＥ２が状態１の吸収端波長ＡＥ１よりも短い。そのため、状態２の反射膜１１３では、発振光の吸収量が小さくなり、励起キャリア密度が低下する。その結果、ピエゾ電界が遮蔽されなくなり、これにより、反射膜１１３のバンドギャップが縮小し、反射膜１１３のミラーロススペクトルは再び低エネルギー側に戻る（状態１、図２実線１）。これにより、ゲインスペクトルが高エネルギー側にシフトし、出射光の波長がλ１にシフトする（図３実線１）。以降周期的に、状態１と状態２との間で変動し、出射されるレーザ光の波長がλ１とλ２との間で変動する。
【００２４】
以上のように出射光の波長のスイッチングを発生させるためには、下記式（３）を満たすように、出射光の波長λ及び反射膜の吸収端ＡＥを設計する。
【００２５】
λ１＜ＡＥ２≦λ２＜ＡＥ１（３）
【００２６】
ＡＥ１とλ２との差（Δｗ）は、５ｎｍ〜５０ｎｍとすると好ましい。また、λ１とλ２との差（Δλ）は、５ｎｍ〜２０ｎｍとすると好ましく、１０ｎｍが特に好ましい。また、波長の変動周期としてはおよそ数ＭＨｚから数十ＭＨｚ程度であり、このときレーザ光の強度も同時に変調されてもよい。こうすることで、スペックルノイズを効果的に抑制することができる。
【００２７】
本実施形態の半導体レーザ素子を構成するウルツ鉱型半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体またはＩＩ族酸化物半導体を用いることができ、材料の組成を任意に選択することで目的の発振波長を得ることができる。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体が効率よく発光できる点でより好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のものを用いることができる。また、クラッド層１０３、１０９と活性層１０５とを含むダブルヘテロ構造部及び反射膜１１３の組成や厚みをそれぞれ変更することで、活性層１０５の発振波長と反射膜の吸収端波長とを制御することができる。たとえば、ＩｎｚＧａ１−ｚＮでは、下記式（４）を用いてバンドギャップエネルギーを所望のものにすることができる（ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ｂ）２３０，Ｎｏ２，Ｒ４−Ｒ６（２００２））。
Ｅｇ（ｚ）＝３．４９３−２．８４３ｚ−２．５×（１−ｚ）（４）
ただし、本実施形態では、反射膜１１３の吸収端波長は、ピエゾ電界の影響も考慮して設計する。
【００２８】
また、反射膜１１３及び活性層１０５を構成する元素を同一とすることで、反射膜１１３の吸収端波長と発振波長とをより精度よく制御することができる。たとえば、反射膜１１３及び活性層１０５をＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）からなる層とすることで、青〜緑色帯で効率的に発光するレーザを得ることができる。
【００２９】
反射膜１１３は単結晶とすると好ましい。こうすることで、反射膜１１３の吸収端波長を精度よく制御することができる。
【００３０】
反射膜１１３は、シリコンドープしてもよい。こうすることで、吸収端波長の変動幅の制御を容易にすることができる。ドープするシリコン量は、１×１０１６〜１×１０２０ｃｍ−３とすると好ましい。
【００３１】
反射膜１１３は、ヘテロ構造を有することが好ましい。屈折率の差の大きい構造とすることで、反射膜１１３の反射率を大きくすることができる。したがって、出射するレーザ光の波長をより精度よく制御することが可能になる。反射率は８０〜９９％とすると好ましい。
【００３２】
反射膜１１３及び活性層１０５をＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）及びＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ＜１）で構成することで、スペックルノイズを効果的に低減された、青〜緑色帯で発光するレーザを作製することができる。
【００３３】
つづいて、本実施形態の半導体レーザ素子の一例として、窒化物半導体レーザ素子を例に挙げて図１を用いつつ以下に説明する。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１０１と、ｎ側バッファ層１０２と、ｎ型クラッド層１０３と、ｎ型光閉じ込め層１０４と、量子井戸層（活性層）１０５と、ｐ型光閉じ込め層１０６と、電流狭窄層１０７と、ｐ型クラッド層１０９と、ｐ側コンタクト層１１０と、ｐ型電極１１１と、ｎ型電極１１２とを有する。また、レーザ共振器端面には反射膜１１３を有する。
【００３４】
図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１の主面は（１−１００）面であり、＜０００１＞方向に共振器が形成されている。さらにレーザ共振器端面は｛０００１｝面であり、へき開又はドライエッチング等によって出射するレーザ光（発振光）と垂直に形成されている。
【００３５】
次に、この窒化物半導体レーザ素子の層構造についてさらに詳しく説明する。ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ側バッファ層１０２が形成されている。ｎ側バッファ層１０２は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍ＝１０００ｎｍ）からなる。
【００３６】
Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２を覆うように、ｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３は、例えば、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ＝２０００ｎｍ）からなる。
【００３７】
ｎ型クラッド層１０３を覆うように、ｎ型光閉じ込め層１０４が形成されている。ｎ型光閉じ込め層１０４は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１００ｎｍ）からなる。
【００３８】
ｎ型光閉じ込め層１０４を覆うように、量子井戸層１０５が形成されている。量子井戸層１０５は、例えば、Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）層である。
【００３９】
量子井戸層１０５を覆うように、キャップ層（不図示）及びｐ型光閉じ込め層１０６が形成されている。キャップ層は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる。また、ｐ型光閉じ込め層１０６は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ１００ｎｍ）からなる。
【００４０】
そして、ｐ型光閉じ込め層１０６を覆うように、電流狭窄層１０７が形成されている。電流狭窄層１０７は、例えば、ＡｌＮからなる。
【００４１】
電流狭窄層１０７を覆うようにｐ型クラッド層１０９が形成されている。ｐ型クラッド層１０９は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ５００ｎｍ）からなる。
【００４２】
ｐ型クラッド層１０９を覆うようにｐ側コンタクト層１１０が形成されている。ｐ側コンタクト層１１０は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３以下、厚さ２０ｎｍ）からなる。そして、ｐ側コンタクト層１１０の上部には、ｐ型電極１１１が設けられている。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下部には、ｎ型電極１１２が設けられている。
【００４３】
さらにレーザ共振器端面には反射膜１１３が形成されている。反射膜１１３は、例えばＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ（厚さ４０ｎｍ）／Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ（厚さ４７ｎｍ）８周期からなる。
【００４４】
つづいて、本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法について説明する。まず、ｎ型クラッド層１０３と活性層１０５とｐ型クラッド層１０９とを基板１０１の無極性面（たとえば、（１−１００）面に順に積層し、ダブルヘテロ構造を形成する。
【００４５】
このとき、ｎ型クラッド層１０３と活性層１０５との間にｎ型光閉じ込め層１０４を形成してもよい。また、活性層１０５とｐ型クラッド層１０９との間に、ｐ型光閉じ込め層１０６と電流狭窄層１０７とを形成してもよい。
【００４６】
電流狭窄層１０７は、以下の工程により形成することができる。まず、低温堆積により非結晶層を形成する。その後、エッチングにより、非結晶層にストライプ状の開口部を設ける。開口部は、光露光又は電子線露光などのリソグラフィーと、例えば、特許文献１に記載されている燐酸系含有液等を用いた選択エッチングとにより形成することができる。その後、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０９及びこれより上層を形成する。こうすることで、電流狭窄層１０７を非結晶層から結晶層へ変換することができる。このとき、開口部はｐ型クラッド層１０９で埋め込まれるが、製造工程の説明の便宜上、開口部であった部分を区別して埋込部１０８という。
【００４７】
ついで、ダブルヘテロ構造の上部にｐ型電極１１１を形成し、基板１０１のダブルヘテロ構造が形成された面と反対面にｎ電極１１２を形成する。ついで、極性を有する面（たとえば、＜０００１＞方向）にへき開し、活性層１０５を挟む一対の共振器端面を形成する。
【００４８】
ついで、反射膜１１３を共振器端面に積層する。反射膜１１３は、たとえば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により形成することができる。ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物半導体からなる反射膜１１３を形成する場合、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌの原料には各メタルを通常のエフージョンセルを用いて分子線とし、窒素原料はＲＦプラズマセルにより窒素ラジカルビームとして供給する。Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌの分子線強度及び窒素ラジカルビーム強度を調整することで、反射膜１１３の組成及び膜厚を制御することができる。
【００４９】
つづいて、実施形態の作用効果について説明する。本実施形態では、極性を有する面に共振器端面を形成し、反射膜１１３をこの共振器端面上に形成し、吸収端波長を発振光の波長と略同一とする。こうすることで、反射膜１１３はピエゾ電界により分極電場を有し、光の吸収により分極電場をスクリーニングされることになる。そのため、発振光を吸収していない状態と発振光を吸収した状態とで反射膜１１３のバンドギャップを変化させることができる。さらに、反射膜１１３の吸収端波長が光の吸収により短波化させることにより、発振光の照射により反射膜１１３の吸収端波長が振動する。すなわち、反射膜１１３の光の吸収量を周期的に変動させることにより、反射膜１１３のミラーロスを周期的に変動させることができ、その結果、素子から出射されるレーザ光の波長が周期的に変動することになる。したがって、本実施形態の素子によれば、レーザ光の干渉性が低下するためスペックルノイズを低減することが可能となる。
【００５０】
また、この半導体レーザ素子では、発振光を重ね合わせたり時空間的に位相を変化させたりするための光学素子を用いずにスペックルノイズを低減できる。したがって、光源の小型化や低コスト化が可能でかつ高性能な半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５１】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、実施形態では、反射膜は、共振器端面と同じ結晶軸方向、すなわち、Ｃ軸方向［０００１］方向に配向させる例を示した。しかしながら、極性を有する面であればよく、（１−１０１）面や（１１−２２）面などの半極性面であってもよい。また、実施形態で示すように（０００１）面を共振器端面として用いることで、反射膜１１３に良好な内部電場をかけることができるが、共振器端面は、面方位が＜０００１＞成分を含む、半極性面または極性面であればよい。また、レーザ端面の｛０００１｝面以外の｛０００１｝面とのなす角が９０度未満の半極性面としてもよい。ｎ型をｐ型としてもよくｐ型をｎ型としてもよい。また、実施形態では基板にダブルヘテロ構造を形成する例を挙げて説明したが、テンプレート上にダブルヘテロ構造を形成してもよい。
【００５２】
また、基板主面の面方位をｍ面としたが、共振器端面の面方位が＜０００１＞成分を含む、半極性または極性面であれば、基板主面の面方位は他の面でも本発明の効果を得ることができる。したがって、基板主面を｛０００１｝面（ｃ面）、レーザ端面もｃ面で構成される面発光レーザの場合にも、反射膜と活性層との適当な組み合わせによって同様な効果を発生されることが可能である。具体的には、上記実施形態における、基板主面の｛１−１００｝面に代えて｛１１−２０｝面、｛１１−２２｝面、｛１−１０１｝面としてもよい。ただし、ダブルヘテロ構造部を半導体基板の無極性面に形成させることで、発振光の波長を安定して一定にすることができるため好ましい。
【００５３】
また、共振器端面の少なくとも一方が極性を有する面であればよく、反射膜が極性を有する共振器端面に形成されている限りにおいて、反射膜は共振器端面の少なくとも一方の面に設けられていればよい。さらに、半導体レーザ素子の波長、材料、組成についても実施形態に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。
【実施例】
【００５４】
（実施例）
以下に、図１を参照して、本発明に係る具体的な実施例について説明する。ｎ型キャリアＳｉ濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型ＧａＮ（１−１００）基板１０１を用いた。
【００５５】
有機金属気相化学堆積（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて、４００ｈＰａの減圧下で、ｎ型ＧａＮ基板１０１上へ素子構造を形成した。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎの供給源としては、各々トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。ｎ型ドーパントＳｉの供給源としてはシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパントＭｇの供給源としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【００５６】
まず、ｎ型クラッド層１０３、活性層、ｐ型クラッド層１０９及び電流狭窄層１０７のための非結晶ＡｌＮ等の結晶成長を行った。以下、この工程を「活性層成長工程」という。ｎ型ＧａＮ基板１０１を成長装置に投入後、ＮＨ３を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＤＱＷ）層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層（図示せず）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０６を順次堆積した。
【００５７】
ここで、ＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量４９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。ＩｎＧａＮのＭＱＷ成長は、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとした。これらの構造を堆積後、基板温度を４００℃程度まで降温し、非結晶ＡｌＮ層（後に結晶化して電流狭窄層１０７となる）の堆積を行った。非結晶ＡｌＮ層堆積時のＴＭＡおよびＮＨ３供給量はそれぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとし、堆積膜厚は０．１μｍとした。
【００５８】
次に、上記非結晶ＡｌＮ層に＜０００１＞方向に伸びるストライプ開口部１０８を形成した。以下この工程を「ストライプ形成工程」という。非結晶ＡｌＮ層上にＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンを形成した。
【００５９】
次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。非結晶ＡｌＮ層はバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。次に、ＳｉＯ２をマスクとして非結晶ＡｌＮ層のエッチングを行った。エッチング液にはリン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ２マスクでカバーされていない領域の非結晶ＡｌＮ層は、９０℃に保持した前記溶液中８．５分間のエッチングにより除去された。その後、バッファードフッ酸により、マスクとして用いたＳｉＯ２を除去した。以上により、非結晶ＡｌＮ層に１．５μｍ幅のストライプ状の開口部を形成した。
【００６０】
開口部が形成された非結晶ＡｌＮ層上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の埋め込み再成長を行った。以下、この工程を「ｐ型クラッド層再成長工程」という。ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０９を堆積した。これにより、開口部はｐ型クラッド層１０９で埋め込まれた。製造工程の説明の便宜上、開口部であった部分を区別して埋込部１０８という。その後、基板温度を１０８０℃に下げてからＭｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１０を堆積した。ＡｌＧａＮ、ＧａＮの堆積条件はドーパントの違いを除き、先に述べた活性層成長工程と同様とした。
【００６１】
以上により得られたレーザダイオード（ＬＤ）ウエハの上部にｐ型電極１１１、下部にｎ型電極１１２を真空蒸着法により形成した。この工程を「電極形成工程」という。電極形成後、ストライプ状の埋込部１０８に垂直な方向に劈開しＬＤバーとした。典型的な素子長は５００μｍとした。
【００６２】
次に得られたＬＤバーを分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置に投入し、反射膜１１３を形成した。ＭＢＥ装置投入後、基板温度は約７００℃程度に設定し、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌの原料には純度７Ｎの各メタルを通常のエフージョンセルを用いて分子線とし、窒素原料はＲＦプラズマセルにより窒素ラジカルビームとして基板上に供給した。各原料の分子線強度は各二元ＩＩＩ族窒化物の成長速度換算でＧａＮが１μｍ／ｈ、ＩｎＮが０．１２μｍ／ｈ、ＡｌＮが０．２８μｍ／ｈとなるように調整し、また窒素ラジカルビーム強度は、Ｖ／ＩＩＩ比がほぼ１となるように調整した。以上の条件により、レーザ共振器端面にＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ（厚さ４０ｎｍ）／Ａｌ０．２８Ｇａ０．７２Ｎ（厚さ４７ｎｍ）８周期からなる反射膜１１３を形成した。以上の工程により、ＬＤチップを得た。
【００６３】
（比較例）
図６で示すＬＤチップを作成した。図示するように、共振器端面に反射膜１１３を形成しない以外は、実施例と同様の構造を有する。作製方法も反射膜１１３を形成しない以外は実施例と同じである。
【００６４】
（評価）
実施例及び比較例で得られたＬＤチップをそれぞれヒートシンクに融着し発光特性を調べた。その結果、実施例のＬＤチップは、電流密度４．０ｋＡ／ｃｍ２、電圧５．０Ｖで中心波長４５０ｎｍの縦マルチモードでレーザ発振した。また、２０ＭＨｚ周期で中心波長が４５５ｎｍと４４５ｎｍの間で振動していることが確認された。ＡＥ１は４６０ｎｍであり、ＡＥ２は４５０ｎｍであった。一方、比較例のＬＤチップの発振スペクトルは、中心波長４４５ｎｍで一定であり、波長の振動は観測されなかった。
【００６５】
以上、本発明の構成について説明したが、本発明は、これに限られず様々な態様を含む。以下はその例示である。
（１）ＩＩＩ族窒化物半導体レーザであって、少なくとも一方のレーザ端面が極性を有する面からなり、その上に極性を有する反射膜が形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
（２）前記半導体レーザの反射膜が前記レーザ端面と同じ結晶軸方向に配向していることを特徴とする（１）の窒化物半導体レーザ。
（３）前記半導体レーザの反射膜が単結晶であることを特徴とする（１）または（２）の窒化物半導体レーザ。
（４）前記半導体レーザの反射膜の吸収端ミラーロススペクトルが、レーザ発振光の照射によって高エネルギー側にシフトすることを特徴とする（１）から（３）の窒化物半導体レーザ。
（５）前記半導体レーザの発振波長が動作中に変動することを特徴とする（１）から（４）の窒化物半導体レーザ。
（６）前記半導体レーザの発振波長の変動が周期的であることを特徴とする（１）から（５）の窒化物半導体レーザ。
（７）前記半導体レーザが｛１−１００｝面基板上に作製されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
（８）前記半導体レーザが｛１１−２０｝面基板上に作製されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
（９）前記半導体レーザが｛１１−２２｝面基板上に作製されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
（１０）前記半導体レーザが｛０００１｝面基板上に作製されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
（１１）前記半導体レーザの少なくとも何れか一方のレーザ端面が（０００１）面であることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
【符号の説明】
【００６６】
１０１    ｎ型基板
１０２    ｎ型バッファ層
１０３    ｎ型クラッド層
１０４    ｎ型光閉じ込め層
１０５    活性層（量子井戸層）
１０６    ｐ型光閉じ込め層
１０７    ｐ型電流狭窄層
１０８    埋込部
１０９    ｐ型クラッド層
１１０    ｐ型コンタクト層
１１１    ｐ型電極
１１２    ｎ型電極
１１３    反射膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010232425.tif 000006
【図５】
2010232425.tif 000007
【図６】
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