(57)【要約】【課題】より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも４４０〜５５０ｎｍ程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】基板上に、少なくとも、第一ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層、活性層および第二ｎ型窒化物半導体層を上記基板側からこの順に含むことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子であって、上記基板または上記第一ｎ型窒化物半導体層は、第一電極と接し、上記第二ｎ型窒化物半導体層は、第二電極と接し、上記第一電極は、アノード電極であり、上記第二電極は、カソード電極である窒化物半導体レーザ素子である。また、第二ｎ型窒化物半導体層に対し上記活性層とは反対側に、導電性酸化物層を備えることが好ましい。【選択図】図１
2010016261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも、第一ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層、活性層および第二ｎ型窒化物半導体層を前記基板側からこの順に備える、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記基板または前記第一ｎ型窒化物半導体層は、第一電極と接し、
前記第二ｎ型窒化物半導体層は、第二電極と接し、
前記第一電極は、アノード電極であり、
前記第二電極は、カソード電極である、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第二ｎ型窒化物半導体層に対し前記活性層とは反対側に、導電性酸化物層を備える、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板または前記第一ｎ型窒化物半導体層は、第一電極と接し、
前記導電性酸化物層は、第二電極と接し、
前記第一電極は、アノード電極であり、
前記第二電極は、カソード電極である、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮからなる井戸層を含み、
前記井戸層のＩｎ組成ｘは、０．１５以上０．３０以下である、請求項１〜４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光記憶メディア、照明およびディスプレイに用いられる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ：Light  Emitting  Diode）に用いられる発光素子として、青色または紫色の光を発する窒化物系半導体を発光層に用いた発光素子が検討されている。
【０００３】
このうち半導体レーザに用いられる窒化物半導体レーザ素子は、製造プロセスおよび素子構造の両面から改善が進み、歩留りの改善等を通じて製造プロセス面での問題はほぼ解消されたものと考えられている。しかしながら、素子構造においては未だ改善途上にあり、より低出力で駆動でき、かつ高い発光効率を示す発光素子の開発が進められている。
【０００４】
従来の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板上にｎ型ＧａＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ電流ブロック層、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層をｎ型ＧａＮ基板側からこの順に形成され、上記ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層を挟んで上下にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を設けることによって、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層で発光した光を素子の外側に漏らさずに素子内に閉じ込め、素子内に光導波路を形成するという構造であった。
【０００５】
しかし、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の屈折率がｐ型ＧａＮコンタクト層の屈折率に比べて十分低くないために、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層で発光した光の一部がｐ型ＧａＮコンタクト層側に漏れてしまい、発光素子内に十分に導波されずに発光効率（電流―光変換効率：ＳＥ  Slope  Efficiency）が低下するという問題があった。
【０００６】
そこで、上記問題を解決するため、特許文献１にはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のドーパントにＭｇを用いることによって、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の屈折率を低屈折率化し、もって光の漏れを防止する発光素子が提案されている。
【０００７】
特許文献１に記載されている窒化物半導体レーザ素子９１０の層構造は、図１３に示されるように、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板９１１上にｎ型ＧａＮ基板側から順に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９１３と、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮガイド層９１４と、厚さ０．１５２μｍのＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９２３と、厚さ０．０１２μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層９２２と、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮガイド層９２１と、厚さ０．６μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９２４と、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９２４ａと、ｐ電極９４０とをこの順に含み、さらにｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９２４の表面は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductive  Coupled  Plasma）エッチングによって、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９２４の一部までエッチングされ、このエッチングされた部分に、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2層と厚さ５０ｎｍのＴｉＯ2層とからなるＳｉＯ2膜９２５とｐ電極９４０とが形成され、またｎ型ＧａＮ基板９１１の下面にｎ電極９４１が形成される。なお、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層９２２、ｐ型ＧａＮガイド層９２１、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９２４およびｐ型ＧａＮコンタクト層９２４ａのことをあわせてｐ型窒化物半導体層９２０という。
【特許文献１】特開２００２−１２４７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されている発明によれば、従来のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を低屈折率化でき、光の漏れを効果的に防止することができる点で優れていたが、同時にこのＭｇでドープしたｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層９２４を用いた素子は、発光効率を高効率に得るという点で以下のような２つの問題を有していた。
【０００９】
この素子の１つ目の問題は、ｐ型窒化物半導体層９２０のドーパントに含まれるＭｇによってＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９２３で発光した光が強く吸収されてしまい、半導体レーザの発光効率が低下するという問題である。
【００１０】
通常発光ダイオードに用いられる素子であれば、光を素子内に閉じ込める必要がないのでｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層は含まれずｐ型窒化物半導体層も薄いため、たとえｐ型窒化物半導体層にＭｇが含まれていても、光吸収する層厚自体が薄くあまり問題とはならなかった。しかし、半導体レーザに用いられる素子は、素子内の導波路で光を共振させるためｐ型窒化物半導体層に含まれるＭｇの光吸収が非常に大きな問題となる。
【００１１】
さらに、もう１つの問題は、６００〜８００℃程度の比較的低温でｐ型窒化物半導体層９２０を形成すると、ｐ型窒化物半導体層９２０が高抵抗化し、駆動電圧が高くなってしまい、もって半導体レーザの発光効率が低下するという問題である。
【００１２】
つまり、ｐ型窒化物半導体層９２０は１０００℃以上の高温で成膜すれば、高抵抗化はされにくい傾向にあるが、１０００℃以上の高温に熱するとＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９２３に含まれる結晶が熱によるダメージで結晶劣化を起こしてしまうため、６００〜８００℃程度で成膜する必要があった。このためｐ型窒化物半導体層９２０が高抵抗化してしまう問題を避けることができなかった。
【００１３】
これは、４４０〜５５０ｎｍ程度の比較的長波長でレーザを発振させようとすると、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層９２３に含まれる井戸層のＩｎ組成ｘを０．１５以上０．３以下と比較的大きくする必要があるが、上記Ｉｎ組成ｘの場合、その後にｐ型窒化物半導体層９２０を作製する際の熱が大きく影響し、熱ダメージを受けやすくなる。このため、４４０〜５５０ｎｍ程度の比較的長波長でレーザを発振させようとすると、この熱ダメージが非常に問題であった。
【００１４】
そこで、本発明は上記のような現状を鑑みてなされたものであって、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも４４０〜５５０ｎｍ程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、上記課題を解決すべく種々の検討を重ねた結果、ｐ型窒化物半導体層を第二ｎ型窒化物半導体層に代えることが上記目的に対して最も効果的であると考え、この知見の下、更に鋭意検討を重ねることによりついに本発明を完成したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも４４０〜５５０ｎｍ程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００１７】
すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも、第一ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層、活性層および第二ｎ型窒化物半導体層を基板側からこの順に含むことを特徴とする。
【００１８】
上記基板または上記第一ｎ型窒化物半導体層は、第一電極と接し、上記第二ｎ型窒化物半導体層は、第二電極と接し、上記第一電極はアノード電極であり、第二電極はカソード電極であることが好ましい。
【００１９】
また、上記第二ｎ型窒化物半導体層に対し上記活性層とは反対側に、導電性酸化物層を設けることが好ましい。また、基板または第一ｎ型窒化物半導体層は、第一電極と接し、上記導電性酸化物層は、第二電極と接し、上記第一電極は、アノード電極であり、上記第二電極は、カソード電極であることが好ましい。また、上記活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる井戸層を含み、該井戸層のＩｎ組成ｘは、０．１５以上０．３０以下であることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の代表的な窒化物半導体レーザ素子１０の概略断面図である。図１に示されるように、本発明の窒化物半導体レーザ素子１０は、基板１１上に第一クラッド層１３と第一ｎ型ガイド層１４とからなる第一ｎ型窒化物半導体層１２、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層３０、ｐ型ガイド層２１とｐ型キャリアブロック層２２とからなるｐ型窒化物半導体層２０、活性層２３、第二ｎ型ガイド層１６と第二クラッド層１７とｎ型コンタクト層１８とからなる第二ｎ型窒化物半導体層１５、電流狭窄絶縁膜２５および第二電極４０を有し、これらの層とは反対側の基板面には第一電極４１を有する構造をしている。以下にこの構造に含まれる各層を説明する。
【００２１】
＜第一ｎ型窒化物半導体層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に含まれる第一ｎ型窒化物半導体層１２は、基板１１上にある層であって、基板と接している、もしくは基板上にバッファ層や薄いアンドープ層（０．５μｍ以下）を挟んで形成されているｎ型の半導体層である。例えば第一クラッド層１３と第一ｎ型ガイド層１４である。この第一ｎ型窒化物半導体層１２に用いられる材料は、ドーパントにＳｉを用いたＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を挙げることができる。また、第一ｎ型窒化物半導体層１２は、６００〜８００℃程度の比較的低温で形成することができる点、ｐ型窒化物半導体層２０と比べて低抵抗の層を形成することができる点、ｐ型窒化物半導体層２０と比べて結晶性の高い窒化物半導体を形成しやすい点等に特徴がある。
【００２２】
また、第一ｎ型窒化物半導体層１２の基板１１と接する面とは逆側の面の一部をｐ型クラッド層に代えることもできる。ただし、ｐ型クラッド層を厚さ２μｍよりも厚くすると、ｐ型クラッド層に含まれるＭｇによる光吸収が大きくなるため好ましくなく、発光効率の観点からｐ型クラッド層に代える層厚は２μｍ以下が好ましい。以下に第一ｎ型窒化物半導体層１２に含まれる第一クラッド層１３および第一ｎ型ガイド層１４を説明する。
【００２３】
（Ｉ）第一クラッド層
本発明の第一ｎ型窒化物半導体層１２に含まれる第一クラッド層１３は、活性層２３で発光した光のうち窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光を活性層周辺の素子内部に閉じ込める役割を果たす層であって、窒化物半導体層中を導波した光が分布している層である。活性層２３で発光した光を素子内部に効果的に閉じ込めるためには、第一クラッド層１３の屈折率は、活性層２３および第一ｎ型ガイド層１４の屈折率より低い屈折率であることが望ましい。
【００２４】
第一クラッド層１３に用いられる材料としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ＜１；０≦ｙ＜１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるｎ型窒化物半導体を挙げることができるが、第一クラッド層１３をより低屈折率化するという観点から、特にＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）を用いることが好ましい。一般にＡｌxＧａyＩｎzＮからなる窒化物半導体はＩｎを含むほど屈折率は高くなり、Ａｌを含むほど屈折率が低くなる傾向にあるからである。また、第一クラッド層１３の層厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、第一クラッド層の結晶構造は、ＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子構造であってもよいし、組成の異なるＡｌpＧａ1-pＮとＡｌqＧａ1-qＮとの超格子構造であってもよい。
【００２５】
（ＩＩ）第一ｎ型ガイド層
本発明の第一ｎ型窒化物半導体層１２に含まれる第一ｎ型ガイド層１４に用いられる材料としては、ＡｌyＧａ1-yＮ、ＡｌxＧａyＩｎzＮ、ＧａＮ等を挙げることができる。また、第一ｎ型ガイド層１４の層厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００２６】
＜ｐ型窒化物半導体層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に含まれるｐ型窒化物半導体層２０は、ｐ型ガイド層２１とｐ型キャリアブロック層２２とを含む層である。本発明の特徴は、活性層２３の下側にｐ型窒化物半導体層が設けられ、第一ｎ型窒化物半導体層とｐｎ接合を有していることである。活性層２３を成膜する前にｐ型窒化物半導体層２０を設けることによって、活性層２３成膜後の昇温を抑えることができ、活性層２３の熱分解を効果的に防止することができる。このｐ型ガイド層２１は０．０１μｍ以上１μｍ以下の層厚であることが好ましく、ｐ型キャリアブロック層２２は１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の層厚であることが好ましい。
【００２７】
本発明のように活性層２３を成膜する前にｐ型窒化物半導体層２０を成膜すれば、活性層２３の熱ダメージを気にすることなく、最適な成長温度および成膜条件でｐ型窒化物半導体層２０を作製することができる。低抵抗のｐ型窒化物半導体層は高品質な結晶性が求められるが、従来の一般的な窒化物半導体レーザ、さらには、高Ｉｎ組成の活性層を有する長波長発光デバイスは、活性層成長後にｐ型窒化物半導体層を成膜するため、あまり高温で成膜することができなかった。しかしながら、本発明では１１２５℃程度の高温でｐ型窒化物半導体層を成膜することができるので、結晶性の高い非常に低抵抗なｐ型窒化物半導体層２０を作製することができ、より高キャリア密度、光吸収の少ないｐ型窒化物半導体層２０を作製することができる。このようにして良好に活性層に効率よくホールを注入することができるようになり、信頼性およびレーザ発振後の発光効率（スロープ効率）を改善する。
【００２８】
また、ｐ型窒化物半導体層２０のドーパントに用いられるＭｇは深いエネルギー準位を形成することから、ｐ型窒化物半導体層２０は高抵抗になりやすく、特にＡｌを含むｐ型窒化物半導体層２０は特に高抵抗になりやすい。このため、ｐ型窒化物半導体層２０の厚みを厚くするほど、直列抵抗が大きくなるため駆動電圧が上がり、発光効率を低下させてしまう。したがって、ｐ型窒化物半導体層２０はなるべく薄膜で成膜することが好ましい。
【００２９】
＜ｐｎ接合＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０は、活性層２３にｐｎ接合が含まれている以外に、基板１１と活性層２３との間にもｐｎ接合が含まれていることを特徴とする。たとえば図１において第一ｎ型ガイド層１４とｐ型ガイド層２１の間にｐｎ接合が含まれている。このｐｎ接合の方向は、活性層のｐｎ接合に順方向にバイアスしたとき、すなわち第一電極４１に正のバイアス、第二電極４０に負のバイアスを印加したときに、基板１１と活性層２３との間にあるｐｎ接合に逆方向にバイアスする方向にｐｎ接合が設けられる。ここで、レーザ発振させる場合には、第一電極４１に正のバイアスを印加させ、第二電極４０に負のバイアスを印加させることになる。
【００３０】
ただし、基板１１と活性層２３との間にあるｐｎ接合に逆方向にバイアスするようにｐｎ接合が設けられている場合、ｐｎ接合界面の空乏層の幅が広がってしまうためトンネル電流が流れにくい。しかし、以下の（Ｉ）（ＩＩ）に示す方法をとることによって、もってトンネル電流を流しやすくすることができる。
【００３１】
（Ｉ）１つ目の方法は、図２に示されるように、第一ｎ型ガイド層１４とｐ型ガイド層２１との間にあるｐｎ接合の界面近傍に、Ｓｉのドーピング量を多くしたｎ＋ドープ層１４ａと、Ｍｇのドーピング量を多くしたｐ＋ドープ層２１ａとを設けるという方法である。このようにｐｎ接合の界面近傍にｎ＋ドープ層１４ａおよびｐ＋ドープ層２１ａを設けることによって、第一ｎ型ガイド層１４とｐ型ガイド層２１との間の空乏層の幅が狭くなり、トンネル電流が流れやすくなる。このようにｎ＋ドープ層１４ａおよびｐ＋ドープ層２１ａを設ける場合、ｎ＋ドープ層１４ａにおけるキャリア濃度およびｐ＋ドープ層２１ａにおけるキャリア濃度は、いずれも５×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。また、このｎ＋ドープ層１４ａおよびｐ＋ドープ層２１ａの層厚は、ｐｎ接合界面の数原子程度であってもよいし、１０〜３０ｎｍ程度の厚さであってもよい。
【００３２】
＜ＡｌyＧａ1-yＮ中間層＞
（ＩＩ）もう１つの方法は、図１に示されるように第一ｎ型ガイド層１４とｐ型ガイド層２１との間にＡｌyＧａ1-yＮ中間層３０を設けるという方法である。このようにｐｎ接合の界面にＡｌyＧａ1-yＮ中間層３０を設けることによって、ｃ面の窒化物半導体で格子不整合による格子歪が起こり、この格子歪からピエゾ電界による自発分極が発生し、伝導帯のバンドエネルギー、価電子帯のバンドエネルギーを歪ませる効果がある。この歪みによって空乏層の幅が狭くなり、逆方向にバイアスしたときにトンネル電流が流れやすくなる。ここで、この格子不整合による格子歪には、圧縮応力の方向による歪みと引っ張り応力の方向による歪みとの２種類の歪みがあるが、この２種の歪みのうち、空乏層の幅を狭くするように歪ませる方の歪みを適宜選択する必要がある。本発明においては、たとえばＡｌＮを用いることによって、格子不整合による格子歪から空乏層の幅を狭くでき、トンネル電流を流しやすくできる。
【００３３】
また、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層３０の層厚は、０．５〜１００ｎｍとすることができる。また、ＡｌyＧａ1-yＮ中間層３０には、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）を好適に用いることができ、ＡｌＮを用いることが特に好ましい。本発明においてｐｎ接合には、上記に示したＡｌyＧａ1-yＮ中間層が形成されていても良いし、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の窒化物半導体が０．５〜１００ｎｍの厚さで形成されていても良い。ＡｌyＧａ1-yＮ中間層は、ｎ型伝導またはｐ型伝導を示すように不純物がドーピングされていてもよいし、アンドープであってもよい。
【００３４】
＜第二ｎ型窒化物半導体層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に含まれる第二ｎ型窒化物半導体層１５は、活性層２３からみて基板１１とは反対側に位置することを特徴とする。
【００３５】
従来の窒化物半導体レーザ素子は、活性層２３を形成した後に１０００℃を超える高温でｐ型窒化物半導体層を成膜すると、Ｉｎを含む活性層が分解するという問題があった。ところが、本発明によればＩｎを含む活性層を形成した後にｐ型窒化物半導体層を成膜することなく、Ｉｎの熱分解が起こりにくい６００〜８００℃程度の比較的低温で第二ｎ型窒化物半導体層を成膜できることから、Ｉｎ組成ｘが０．１５〜０．４程度の活性層を含んでいても熱分解を生じることなく窒化物半導体レーザ素子を製造できる。
【００３６】
また、従来の窒化物半導体レーザ素子９１０に用いられるｐ型窒化物半導体層９２０は、本質的に低抵抗となりにくいことから直列抵抗が高くなり窒化物半導体レーザ素子の駆動電圧が増大しやすいという問題もあった。しかし、本発明のように活性層２３の上に低抵抗な第二ｎ型窒化物半導体層１５を用いれば第二ｎ型窒化物半導体層１５の導電性の高さから、窒化物半導体レーザ素子１０の駆動電圧も低くすることができる。また、第二ｎ型窒化物半導体層１５の上に後述する導電性酸化物層をさらに設けた場合でも、電気抵抗はそれほど増大しないため窒化物半導体レーザ素子１０の駆動電圧は導電性酸化物層を設けなかった場合とほとんど変わらない。
【００３７】
さらに、従来の窒化物半導体レーザ素子９１０は、ｐ型窒化物半導体層９２０上にｐ電極９４０を作製していたため、１つの窒化物半導体レーザ素子の両端にｐ電極９４０とｎ電極９４１とを有していた。しかし、本発明によればｐ電極９４０を作製する必要がなく、窒化物半導体レーザ素子の両端をｎ電極のみで作製することができ、しかも２つのｎ電極は同一の材料でも成膜できることから、電極の蒸着する際の生産性を向上できるとともに、コストダウンも可能となる。なお、この２つのｎ電極に用いられる材料は、同一の材料に限られるものではなく、別々の材料を用いてもよい。
【００３８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に用いられる第二ｎ型窒化物半導体層１５は、第二ｎ型ガイド層１６と第二クラッド層１７とｎ型コンタクト層１８とのうちのいずれか１層以上を含む層であり、このような第二ｎ型窒化物半導体層１５に用いられる材料としては、ドーパントにＳｉを用いたＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、すなわちｎ型窒化物半導体を挙げることができる。
【００３９】
また、第二ｎ型窒化物半導体層１５はレーザーアブレーション（ＰＬＤ：Pulsed  Laser  Deposition）によって成膜することもできる。ＰＬＤ法は高エネルギー紫外線レーザによる原料の昇華を利用した成長手法であり、昇華した材料の作り出す局所的な強い非平衡場により窒素ガスが解離・反応するため、ＩＩＩ族窒化物半導体の低温・窒素雰囲気中で成長させることができる。ＰＬＤ法では、ＫｒＦエキシマレーザーをエネルギー密度３Ｊ／ｃｍ2、繰り返し周波数１０〜１５Ｈｚで原料となるターゲット（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなど）に照射する。このレーザ照射によりターゲット原料は瞬間的に昇華し、プルームと呼ばれる一種のプラズマ状態となって雰囲気ガス分子（窒素ガス、酸素ガス等）との衝突を繰り返した後、基板上へ到達して薄膜を形成する。窒素源として窒素ガスを１０-5〜１０-1Ｔｏｒｒの圧力で導入する。この方法によれば、室温で高品質な窒化物半導体を作製でき、熱による活性層のダメージを著しく低減することできる。
【００４０】
また、第二ｎ型窒化物半導体層１５は、パルススパッタ（ＰＳＤ：Pulsed  Sputter  Deposition）法によって成膜することもできる。活性層を成膜した後、第二ｎ型窒化物半導体層をＰＳＤ法で成膜することにより、第二ｎ型窒化物半導体層１５をよりいっそう低温で成膜することができ、もって活性層２３への熱ダメージを著しく低減することができる。ＰＳＤ法によって全ての第二ｎ型窒化物半導体層を成膜してもよいし、一部のみを成膜してもよい。
【００４１】
（Ｉ）第二ｎ型ガイド層
本発明の第二ｎ型窒化物半導体層１５に含まれる第二ｎ型ガイド層１６は、第二クラッド層１７と接する層である。この第二ｎ型ガイド層１６に用いられる材料としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を挙げることができる。また、第二ｎ型ガイド層１６の層厚は、０．０１μｍ以上１μｍ以下とすることができるが、後述するリッジストライプ部７０の形成に際して一部がエッチング等の方法により取り除かれ、図１に示すように第二ｎ型ガイド層のエッチングにより除去された部分の層厚はｄとなる。
【００４２】
（ＩＩ）第二クラッド層
本発明の第二ｎ型窒化物半導体層１５に含まれる第二クラッド層１７は、活性層２３で発光した光のうち窒化物半導体成長面に対して垂直方向に広がる光を活性層２３付近の半導体内部に閉じ込める役割を果たしている層である。この第二クラッド層１７は、活性層２３および第二ｎ型ガイド層１６の屈折率より低い屈折率を有していることが好ましい。本発明においては、高抵抗で知られるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を用いずに、第二クラッド層１７で光閉じ込めを行なうため、従来の窒化物半導体レーザ素子よりも駆動電圧を低減することができる。ここで、第二クラッド層１７に用いられる材料としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）、ＧａＮ等を挙げることができるが、第二クラッド層１７をより低屈折率化するという観点から、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）を用いることがより好ましい。また第二クラッド層１７にＧａＮ材料を用いる場合、活性層２３との屈折率差が十分でなく、光閉じ込め効果が弱くなることが懸念されるため、第二クラッド層１７の代わりに後述する導電性酸化物層を用いることもできるし、第二クラッド層１７の上にさらに導電性酸化物層を含むこともできる。
【００４３】
また、第二クラッド層１７の結晶構造は、ＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子構造であってもよいし、組成の異なるＡｌpＧａ1-pＮとＡｌqＧａ1-qＮとの超格子構造であってもよい。また、第二クラッド層１７の層厚は０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。
【００４４】
（ＩＩＩ）ｎ型コンタクト層
本発明の第二ｎ型窒化物半導体層１５に含まれるｎ型コンタクト層１８は、第二クラッド層１７と第二電極４０との間に位置する層である。このｎ型コンタクト層１８の層厚は、０．０１μｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【００４５】
＜基板＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子の基板１１に用いられる材料としては、結晶構造が六方晶形の結晶構造を有する材料を特に好ましく用いることができ、このような材料としてたとえば、窒化物半導体基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板等を挙げることができる。また、基板１１と基板１１上に形成される窒化物半導体層との格子整合性を高めるという観点から、基板１１には窒化物半導体基板を用いることが好ましく、特にｎ型の窒化物半導体基板を用いることが好ましい。
【００４６】
また、窒化物半導体基板を用いる場合、その窒化物半導体基板の組成は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有するものを用いることができ、具体的にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。また、この窒化物半導体基板の六方晶形が保たれる範囲であれば、窒化物半導体基板に含まれるＮ元素の一部を、Ａｓ、ＰまたはＳｂからなる群より選択された少なくとも１種の元素に置換することもできる。ここで、「Ｎ元素の一部」とは、窒化物半導体基板ＡｌxＧａyＩｎzＮに含まれるＮのうち、１０％以下のＮのことをいう。
【００４７】
このような基板の層厚は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１００μｍ以上８００μｍ以下であり、理想的には２００μｍ以上６００μｍ以下である。
【００４８】
＜活性層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に用いられる活性層２３は、バリア層と井戸層とを交互に積層した積層体を有し、さらにこの積層体を緩衝層によって、両側から挟んだ構造をした多重量子井戸活性層構造であり、６００〜８００℃の温度で成膜することが好ましい。バリア層には、ＩｎxＧａ1-xＮが用いられ、井戸層はバリア層よりＩｎ組成の高い、ＩｎxＧａ1-xＮが用いられる。また、活性層２３の層厚は、上述のバリア層と井戸層との層厚の合計で表すことができ、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
また、本発明の活性層とｐ型窒化物半導体層との間および活性層と第二ｎ型窒化物半導体層との間に、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ＜１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる緩衝層を設けることが好ましい。この緩衝層の組成は、ＩｎxＧａ1-xＮ（Ｉｎ組成ｘ：０≦ｘ≦０．１）であることが好ましい。また、Ｉｎ組成の多い（Ｉｎ組成０．１５以上０．３以下）活性層２３を成膜する際に緩衝層を形成すると、井戸層の結晶性を向上させることができる。これは、井戸層にかかる格子不整合から引き起こされる大きな歪を緩衝層によって軽減することができるためと考えられる。
【００５０】
ここで、緩衝層の層厚は、１ｎｍ以上０．４μｍ以下が好ましい。また、活性層とｐ型窒化物半導体層の間に設けられる緩衝層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングであることが好ましく、活性層と第二ｎ型窒化物半導体層との間に設けられる緩衝層は、ノンドープまたはｎ型ドーピングであることが好ましい。ただし、緩衝層を設けなくても本発明の効果と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
また、活性層２３に用いられる材料は、アルミニウム、インジウムおよびガリウムからなる群から選択された少なくとも１種の３族元素と５族元素である窒素との化合物を用いることが好ましく、組成式で表すとＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）となる。すなわち、後述する実施例には、ＩｎxＧａ1-xＮを用いた活性層のみを説明しているが、これに限られるものではなく活性層にＡｌを含めた混晶を用いることもできる。
【００５２】
また、活性層２３に含まれる、バリア層および井戸層は、いずれもノンドープＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる層である。このバリア層の層厚は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下が特に好ましい。１ｎｍより薄いとキャリアのバリア層としての効果を得られないため好ましくなく、４０ｎｍより厚いと、井戸層間の距離が離れすぎてしまい、井戸層にキャリアが不均一に注入される可能性があるため好ましくない。
【００５３】
また、井戸層の層厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。０．５ｎｍより薄いと、井戸層が均一に形成されないため好ましくなく、１０ｎｍより厚くなると、格子不整合による歪からＩｎの凝集が起こりやすくなるため好ましくない。更に井戸層数は１層から３層程度を形成することが好ましい。また、本発明の窒化物半導体レーザ素子から発振されるレーザ光の波長は活性層２３の井戸層の混晶比によって、たとえば４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で適宜調節することができる。また、活性層２３に含まれる井戸層のＩｎ組成ｘは、０.１５〜０．３であることが好ましい。活性層のＩｎ組成ｘが０．１５の時、レーザの発振波長は４４０ｎｍ程度となり、Ｉｎ組成ｘが０．３の時、レーザの発振波長は５５０ｎｍ程度となる。なお、Ｉｎ組成が増加すると線形的に発振波長も長波長化する。
【００５４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、活性層２３と第二ｎ型ガイド層１６との間に、キャリアブロック層（図示せず）を設けることが好ましい。活性層２３を成膜した後に低温で第二ｎ型ガイド層１６を成膜すると、第二ｎ型ガイド層１６の結晶性が粗悪になるため活性層２３（特にＩｎ組成の大きい井戸層）を十分に保護できない場合がある。しかしながら、活性層２３と第二ｎ型ガイド層１６との間にキャリアブロック層を設けることによって、活性層２３からオーバーフローした電子のキャリアブロックを行なうことができるし、活性層２３をより保護することもできる。このキャリアブロック層の層厚はたとえば１０ｎｍとすることができる。
【００５５】
このキャリアブロック層に用いられる材料としては、たとえばＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ＡｌpＧａ1-pＮ（０＜ｐ≦１）等を用いることができる。ここで、キャリアブロック層にＡｌpＧａ1-pＮを用いる場合、Ａｌ組成ｐは０より大きいことが好ましいが、Ａｌ組成ｐを大きくしすぎると格子不整合によるクラックが生じることから好ましくない。このようなＡｌ組成ｐとしてはたとえば０．１８程度とすることができる。なお、キャリアブロック層は、ｎ型にドーピングされていることが好ましいが、ノンドープであってもよい。
【００５６】
また、格子不整合から生じるクラックを緩和するという観点と、さらに低温で成膜できるという観点とからすれば、キャリアブロック層に用いられる材料にはＡｌxＧａyＩｎzＮ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｚ＜１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることが好ましい。この場合、Ｉｎ組成ｚが０より大きく０．３より小さいことが好ましく、０．３より大きくなると層分離を起こしてしまうという問題、およびキャリアブロック層の再蒸発が起こるという問題があるため好ましくない。また、Ａｌ組成ｘは０より大きいことが好ましく、たとえば０．１８程度とすることができる。
【００５７】
また、緑色光や赤色光のような可視光の中では長波長領域の光を発する窒化物半導体レーザ素子を製造するためには、活性層のＩｎ組成ｘが０．１５〜０．３の高いＩｎ含有量の活性層が必要とされる。しかし、Ｉｎ組成ｘが０．１５〜０．３程度の高いＩｎ組成の活性層は赤色や緑色の光を発光する活性層の熱分解温度はかなり低いため、従来の製造方法のように活性層を成膜した後に１０００℃以上の高温状態でｐ型窒化物半導体層を成膜すると、活性層が熱によるダメージで結晶劣化を起こすことから、緑色光や赤色光を発する窒化物半導体レーザ素子の製造が困難であった。このＩｎを含む窒化物半導体結晶の熱分解温度の低さを表す例として、たとえばＩｎＮは６００〜７００℃で熱分解が起こる程度にＩｎを含む活性層の熱分解温度は低い。
【００５８】
ところが、本発明で作製された窒化物半導体レーザ素子１０は、活性層２３を成膜した後、ｐ型窒化物半導体層を成膜することなく、６００〜９００℃程度の比較的低温で第二ｎ型窒化物半導体層１５を成膜し、この後の製造過程においても９００℃を超える温度に昇温することがないので、Ｉｎ組成ｘは、０．１５以上を含む活性層を用いても熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することができるし、Ｉｎ組成ｘは、０．２以上を含む活性層であっても熱分解することなく窒化物半導体レーザ素子を製造することもできる。
【００５９】
＜基板の主面＞
本発明に用いられる基板１１の主面には、ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、｛１−１０１｝面および｛１１−２２｝面から選択された少なくとも１つの面を用いることができる。この基板上に形成されるｐ型窒化物半導体層を低抵抗にするという観点から、ｃ面を主面とする基板を用いることが好ましい。
【００６０】
なお、結晶面を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
【００６１】
また、基板の主面に対するオフ角度が０．１〜２°であれば、その表面モフォロジーが良好であるため面内の層厚分布を小さくすることができる。したがって、たとえば基板の主面がＭ面｛１−１００｝の場合、Ｍ面内のｃ軸方向のオフ角度が０．１〜２°に傾いていれば、表面モフォロジーが良好であるため面内の層厚分布を小さくすることができる。
【００６２】
ここで、基板の主面に対するオフ角度が０．１°未満であれば、面内の層厚分布が大きくなる虞があり好ましくない。また、基板の主面に対するオフ角度が２°より大きくなると、表面のステップ形状が顕著になり、面内の層厚分布が大きくなる虞があり好ましくない。
【００６３】
＜導電性酸化物層＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる導電性酸化物層は、窒化物半導体層上に形成される層であって、高屈折率を有する材料からなる層である。また、導電性酸化物層に用いられる材料としては、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium  Tin  Oxide）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｇａ）フッ素ドープ酸化錫（ＳｎＯ2：Ｆ）、ニオビウム（Ｎｂ）がドープされた二酸化チタン、β−Ｇａ2Ｏ3等の導電性酸化物もしくは分子線エピキタシー（ＭＢＥ：Molecular  Beam  Epitaxy）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法で作製されたｎ型の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を挙げることができる。
【００６４】
また、この導電性酸化物層は、ＥＢ蒸着法、スパッタ成膜法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法等によって成膜することができ、これらの方法を用いれば３００℃以下の比較的低温で導電性酸化物層を成膜することができる。このことから活性層２３の熱分解を避けつつ、導電性酸化物層を成膜することができるというメリットがある。
【００６５】
また、ＧａＮを用いる第二クラッド層１７は、ＡｌＧａＮを用いる第二クラッド層の屈折率と比べて屈折率が高くなるため、第二クラッド層１７の光閉じ込め効果が弱くなる。このような場合に、第二クラッド層１７の上にさらに導電性酸化物層を設ければ、第二クラッド層１７と導電性酸化物層との屈折率差がより大きくなり、第二クラッド層１７の光閉じ込め効果を上げることができると考えられる。また、第二クラッド層１７の代わりに導電性酸化物層を用いることもできる。
【００６６】
＜電流狭窄絶縁膜＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる電流狭窄絶縁膜２５は、第二ｎ型ガイド層１６と第二クラッド層１７とに接触するように設けられる膜であって、絶縁性を有する膜である。
【００６７】
この電流狭窄絶縁膜２５に用いられる材料としては、たとえば、シリコンの酸化物、アルミニウムの酸化物、ジルコニアの酸化物、チタンの酸化物、タンタルの酸化物、シリコンの酸窒化物、アルミニウムの酸窒化物、ジルコニアの酸窒化物、チタンの酸窒化物、タンタルの酸窒化物、シリコンの窒化物、アルミニウムの窒化物、ノンドープＡｌＮ、ノンドープＡｌＧａＮ、ノンドープＩｎＡｌＮ、ｐ型ＡｌＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＮ等の材料のうちから選択された少なくとも１種を挙げることができる。ただし、ｐ型ＡｌＮ、ｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＩｎＡｌＮを用いる場合、これらに含まれるＭｇが光吸収するため、Ｍｇのドープ量が少ない方が好ましく、ノンドープであることがより好ましい。
【００６８】
また、電流狭窄絶縁膜２５は、従来より公知の方法で成膜することができ、たとえばＥＢ蒸着法、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等によって成膜することができる。また、電流狭窄絶縁膜２５は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。
【００６９】
電流狭窄絶縁膜２５の層厚は、６〜１０００ｎｍであることが好ましく、６〜５００ｎｍであることがより好ましい。層厚が６ｎｍ未満の場合は面内に均一な膜を形成しにくいため、電流がリークして電流狭窄絶縁膜２５としての役目を果たさなくなる虞があることから好ましくなく、また層厚が１０００ｎｍより厚くなると、後述する実施の形態２の窒化物半導体レーザ素子２０１０の構成において、電流狭窄絶縁膜２０２５の後に形成される第二ｎ型ガイド層２０１６、第二クラッド層２０１７およびｎ型コンタクト層２０１８を再成長させた際に電流狭窄絶縁膜２０２５のストライプ部が埋まりきらなくなるという問題があるため、好ましくない。
【００７０】
＜第一電極＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いられる第一電極４１は、基板１１に接触するように設けられる層であって、外部接続用のためのアノード電極である。第一電極４１に用いられる材料としては、従来より公知のものを用いることができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆ等を用いることができる。また、第一電極４１は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。
【００７１】
＜第二電極＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に用いられる第二電極４０は、窒化物半導体レーザ素子の端面のうち、第一電極４１とは反対側の面に設けられており、外部接続用のためのカソード電極である。第二電極４０に用いられる材料としては、従来より公知のものを用いることができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆ等を用いることができる。また第二電極４０は、単層構造に限られるものではなく多層構造であってもよい。
【００７２】
＜リッジストライプ部＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子１０に形成されるリッジストライプ部７０は、第二ｎ型ガイド層１６および第二クラッド層１７の一部がエッチングにより除去されて、ストライプ状のリッジストライプ部７０が共振器長方向に延伸するように形成されている。リッジストライプ部のストライプの幅は、用途によって異なるため明確に定義することはできないが、たとえば照明用途に用いられるブロードエリアに使用する場合、ストライプ幅は２〜１００μｍ程度とすることができる。また窒化物半導体レーザ素子として使用する場合ストライプ幅は１．２〜２．４μｍの範囲であることが好ましい。また、共振器長は３００μｍから１．８ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００７３】
従来の窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、ｐ型窒化物半導体層で形成されていたため、高抵抗になりやすく、駆動電圧が上がるという問題があった。しかし、本発明のリッジストライプ部７０は、ｎ型窒化物半導体層で電流狭窄部を形成することから、より低抵抗にすることができ、駆動電圧を下げることができる。また本構造をとることによって、第二ｎ型窒化物半導体層と第二電極との間のコンタクト抵抗は、ｐ型窒化物半導体層とｐ型電極とのコンタクト抵抗よりも低抵抗化が可能であるため、さらに駆動電圧を下げることができる。
【００７４】
本構造をとることによって、従来のようにｐ電極とｐ型窒化物半導体層とのコンタクトがなく、しかも窒化物半導体レーザ素子全体に占める、ｐ型窒化物半導体層の割合を小さくできる構造が容易に作製できるというメリットがある。
【００７５】
以下に本発明の好ましい実施の形態１を図３を用いて説明し、実施の形態２を図４を用いて説明するが、本発明は実施の形態１および２に示される窒化物半導体レーザ素子の構造に限られるものではない。
【００７６】
＜実施の形態１＞
図３に本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。本発明の窒化物半導体レーザ素子１０１０は、窒化物半導体基板１０１１上に、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＮからなる第一クラッド層１０１３、ｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層１０１４、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１０２１、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるｐ型キャリアブロック層１０２２、ＡｌpＩｎqＧａrＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１）からなる活性層１０２３、ｎ型ＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層１０１６およびｎ型ＡｌyＧａ1-yＮからなる第二クラッド層１０１７を、ＭＯＣＶＤ成膜装置を用いてこの順に形成し、その後、リッジストライプ部１０７０を形成するために、フォトリソグラフィ工程等によってマスクが形成されていない部分を第二ｎ型ガイド層１０１６の途中までエッチングにより除去し、リッジストライプ部１０７０を形成する。そして、電流狭窄絶縁膜１０２５をＥＢ蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜１０２５とをリフトオフ法により除去し、第二電極１０４０および第一電極１０４１を形成する。
【００７７】
上記のようにして得られた、窒化物半導体ウエハの窒化物半導体基板１０１１を研削、研磨工程して１００μｍ程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開した。さらに、へき開されて形成された端面にたとえば厚さ３０ｎｍ程度のＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）からなる端面コート膜を形成する。これは、高出力動作時の端面の光学的破壊を抑制するためである。また、この端面コート膜上に、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、ニオブ酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物、シリコン酸窒化物、アルミニウム酸窒化物等から選択された少なくとも１種からなる層を反射率調整用に形成する。このように実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子は、端面光出射型の窒化物半導体レーザである。
【００７８】
また、上記エッチングによって残された第二ｎ型ガイド層１０１６の層厚ｄは、０より大きく０．５μｍ以下であることが好ましい。この第二ｎ型ガイド層１０１６の層厚ｄが０．５μｍより大きいと電流がリッジストライプの外に広がってしまうため、好ましくない。
【００７９】
＜実施の形態２＞
図４に本発明の窒化物半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。この窒化物半導体レーザ素子２０１０の層構造は、窒化物半導体基板２０１１上に、第一クラッド層２０１３、第一ｎ型ガイド層２０１４、ｐ型ガイド層２０２１、ｐ型キャリアブロック層２０２２、活性層２０２３までをＭＯＣＶＤ法により作製した後に、この窒化物半導体ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、電流狭窄絶縁膜２０２５をスパッタ装置により成膜する。
【００８０】
その後、フォトリソプロセスによって電流狭窄絶縁膜２０２５上にレジストを塗り、幅１〜３μｍ程度のストライプ状にレジストを加工し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively  Coupled  Plasma）による気相エッチングを行ない、電流狭窄絶縁膜２０２５をストライプ状に除去してからレジストを除去して、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、第二ｎ型ガイド層２０１６、第二クラッド層２０１７およびｎ型コンタクト層２０１８を窒化物半導体基板２０１１側からこの順にＭＯＣＶＤ法によって成膜し、さらに、第一電極２０４１、第二電極２０４０を形成する。
【００８１】
実施の形態２の窒化物半導体レーザ素子２０１０は、電流狭窄絶縁層を埋め込み式の形で備えているという点で実施の形態１と異なり、この点を特徴とする。活性層より上に形成された第二ｎ型ガイド層２０１６、第二クラッド層２０１７およびｎ型コンタクト層２０１８は低抵抗であるため、キャリアが窒化物半導体層の表面に平行方向に容易に拡散しやすく、電流狭窄を行うことが難しい。このため、活性層２０２３の直上で電流狭窄絶縁膜２０２５を形成することにより、キャリアを有効に閉じ込めることができることから非常に好ましい構造である。電流狭窄絶縁膜２０２５は、活性層２０２３中の一番最後に形成された井戸層からの距離は、３ｎｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。この距離が３ｎｍ未満では、電流狭窄絶縁膜２０２５を形成するプロセスを行う段階で、活性層２０２３の井戸層を保護できず、活性層にダメージが入ってしまうため好ましくない。また、この距離が０．５μｍより大きくなると、電流狭窄を有効に行えなくなるため、好ましくない。
【００８２】
このように埋め込み式の形で電流狭窄絶縁膜２０２５を形成することで、容易に電流狭窄絶縁構造を作製できるというメリットがある。電流狭窄絶縁膜２０２５は活性層の上に形成されていても良いし、活性層上に形成されるＡｌγＧａ１-γＮからなるキャリアブロック層の上に電流狭窄絶縁膜２０２５を形成してもよい。
【００８３】
また、実施の形態１では、リッジストライプ部１０７０から注入された電子が第二ｎ型ガイド層１０１６で拡散するのを防ぐために、第二ｎ型ガイド層１０１６のエッチング量を調整し、第二ｎ型ガイド層１０１６の層厚を正確に制御する必要がある。しかし、実施の形態２においては、活性層２０２３の直上に電流狭窄絶縁膜２０２５を設けていることから、このような層厚制御をしなくてもよく、この点に本実施の形態のメリットがある。
【実施例】
【００８４】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８５】
（実施例１）
図５に、実施例１の窒化物半導体レーザ素子１１０の好ましい一例の模式的な断面図を示す。実施例１の窒化物半導体レーザ素子１１０は、厚さ４００μｍで２インチのウエハのｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板１１１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一クラッド層１１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層１１４、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１２１、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型キャリアブロック層１２２、厚さ０．１５２μｍのＡｌpＩｎqＧａrＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）からなる活性層１２３、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層１１６および厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第二クラッド層１１７を、ＭＯＣＶＤ成膜装置を用いてこの順に形成した。ここで、第二ｎ型ガイド層１１６と第二クラッド層１１７とをあわせて第二ｎ型窒化物半導体層１１５という。なお、第一クラッド層１１３から活性層１２３の窒化物半導体基板１１１に近い側のノンドープＧａＮ層までを１１２５℃で成膜し、残りの層を８５０℃で成膜した。
【００８６】
その後、リッジストライプ部１７０を形成するために、フォトリソグラフィ工程によって第二クラッド層１１７上にストライプ状のマスクを形成し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively  Coupled  Plasma）エッチング法を用いて、マスクが形成されていない部分を第二ｎ型ガイド層１１６の途中までエッチングにより除去し、幅１．６μｍのリッジストライプ部１７０を形成した。そして、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2と厚さ５０ｎｍのＴｉＯ2とからなる電流狭窄絶縁膜１２５をＥＢ蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜１２５をリフトオフ法により除去し、その後窒化物半導体基板１１１に接するように厚さ３０ｎｍのハフニウム層と厚さ２００ｎｍのアルミニウム層と厚さ３０ｎｍのモリブデン層と厚さ５０ｎｍの白金と厚さ２００ｎｍの金との５層からなる第一電極１４１を形成した。さらに、ＥＢ蒸着法によって第二電極１４０を形成した。
【００８７】
ここで、本実施例に用いられる活性層１２３は、厚さ６０ｎｍのノンドープＧａＮ層、厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎからなるバリア層、厚さ４ｎｍのノンドープＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる井戸層、厚さ１０ｎｍのノンドープＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎからなるバリア層、厚さ４ｎｍのノンドープＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる井戸層および厚さ６０ｎｍのノンドープＧａＮ層を窒化物半導体基板側からこの順に含むＡｌＧａＩｎＮ多重井戸活性層構造に作製したものであった。
【００８８】
上記のようにして得られた、窒化物半導体ウエハの窒化物半導体基板１１１を研削、研磨工程して１００μｍ程度に薄くして、ダイヤモンド針でスクライブし、バー状にへき開し、このへき開されて形成された端面に厚さ３０ｎｍ程度のＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）からなる端面コート膜を形成し、この端面コート膜上にさらに酸化アルミニウム膜を反射率調整用に形成した。このような窒化物半導体レーザ素子の光出射側の端面の反射率は１０％であり、光反射側の反射率は９５％であった。このように実施例１のレーザは、端面光出射型の窒化物半導体レーザである。
【００８９】
このようにして作製した窒化物半導体レーザ素子の発振閾値と発振後の平均発光効率（スロープ効率）を求めたところ、実施例１の窒化物半導体レーザ素子２０個の平均発振閾値は３０ｍＡであり、平均発光効率は１．６５Ｗ／Ａであった。ここで、発振閾値とは窒化物半導体レーザ素子の駆動電流の低さを表す値で、値が小さいほど駆動電流が小さい発光素子であることを示す。また、発光効率とは、窒化物半導体レーザ素子の電流注入量に対して素子外部に取り出すことができる光子の割合を表す値であって、値が大きいほど優れた発光素子であることを示す。
【００９０】
また、比較のために特許文献１に示された窒化物半導体レーザ素子を同一の方法で作製し、上記と同様の方法で平均発振閾値と平均発光効率とを求めたところ、特許文献１の窒化物半導体レーザ素子２０個の平均発振閾値は３８ｍＡであり、平均発光効率は１．３５Ｗ／Ａであった。以上のことから、実施例１で作製された窒化物半導体レーザ素子は特許文献１の窒化物半導体レーザ素子に比べ、平均発振閾値と平均発光効率の特性を大きく向上することができた。これは、実施例１においてはＭｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッドがなくなり、光吸収が抑制され内部ロス（αｉ）が低減したためと考えられる。
【００９１】
（実施例２）
図６に本発明の実施例２で作製した窒化物半導体レーザ素子２１０の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子２１０は実施例１と類似の構造をしており、実施例１の窒化物半導体レーザ素子１１０における第一クラッド層１１３の一部と第一ｎ型ガイド層１１４の全部とをｐ型クラッド層２１３ａに置き代えている点と、第二クラッド層２１７と第二電極２４０との間に、ｎ型コンタクト層２１８を設けた点とが異なっており、これらの点を特徴とする。また、実施例２の窒化物半導体レーザ素子２１０の活性層２２３の構造は実施例１のそれと同一の構造であるが、井戸層のＩｎ組成を０．１５とし、発振波長が４５０ｎｍとなっている点で異なっている。
【００９２】
実施例２の窒化物半導体レーザ素子２１０は、実施例１と同様のＭＯＣＶＤ装置によって、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板からなる窒化物半導体基板２１１上に、厚さ２．３μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一クラッド層２１３、厚さ０．２μｍのｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層２１３ａ、厚さ０．２μｍのｐ型ガイド層２２１、厚さ０．０１μｍのｐ型キャリアブロック層２２２、厚さ０．１５２μｍの活性層２２３、厚さ０．２μｍの第二ｎ型ガイド層２１６、厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第二クラッド層２１７および厚さ０．２μｍのＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１８をこの順に形成し、その後、実施例１と同様の方法によって、電流狭窄絶縁膜２２５、第一電極２４１および第二電極２４０を形成した。
【００９３】
実施例２のように、第一クラッド層２１３の一部と第一ｎ型ガイド層の全部とをｐ型クラッド層２１３ａに代えることによっても、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【００９４】
（実施例３）
図７に本発明の実施例３で作製した窒化物半導体レーザ素子３１０の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子３１０は、実施の形態２で示した窒化物半導体レーザ素子のように電流狭窄絶縁層を埋め込み式の形で備えている。また、実施例３の窒化物半導体レーザ素子３１０の活性層３２３の構造は実施例１のそれと同一の構造であるが、井戸層のＩｎ組成を０．２０としている点で異なっている。
【００９５】
実施例３の窒化物半導体レーザ素子３１０の層構造は、図７に示されるように、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板３１１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一クラッド層３１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層３１４、厚さ０．２μｍのＧａＮからなるｐ型ガイド層３２１、厚さ０．０１μｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型キャリアブロック層３２２および厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮからなる活性層３２３をＭＯＣＶＤ法により作製し、この窒化物半導体ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜３２５をスパッタ装置により成膜した。
【００９６】
その後、フォトリソプロセスによってＳｉＯ2上にレジストを塗り、幅２μｍ程度のストライプ状にレジストを加工し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively  Coupled  Plasma）による気相エッチングを行ない、ＳｉＯ2をストライプ状に除去し、レジストを除去して、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、厚さ０．２μｍのＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層３１６、厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第二クラッド層３１７、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３１８を窒化物半導体基板３１１側からこの順にＭＯＣＶＤ法によって成膜し、さらに、第一電極３４１、第二電極３４０を形成した。
【００９７】
実施例１で示された理由と同じ理由で、実施例３で作製された窒化物半導体レーザ素子３１０は、活性層３２３を成膜したあと、ｐ型窒化物半導体層を１０００℃以上の高温で成膜する必要がないため、活性層３２３の井戸層のＩｎ組成ｘが０．１５以上程度の高い組成を必要とする活性層を有する窒化物半導体レーザ素子も製造することができる。この実施例３で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【００９８】
（実施例４）
実施例４の窒化物半導体レーザ素子４１０の層構造は実施例３と類似の構造をしているが、実施例３の窒化物半導体レーザ素子における第二クラッド層およびｎ型コンタクト層の代わりにインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Indium  Tin  Oxide）からなる導電性酸化物層４２４を用いている点において異なり、この点を特徴としている。また、実施例４の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例１のそれと同一の構造であるが、井戸層のＩｎ組成を０．２７とし、発振波長は５２０ｎｍとなっている点で異なっている。
【００９９】
実施例４の窒化物半導体レーザ素子４１０の層構造は、図８に示されるように、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板４１１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一クラッド層４１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層４１４、厚さ０．２μｍのＧａＮからなるｐ型ガイド層４２１、厚さ０．０１μｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４２２および厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮからなる活性層４２３までをＭＯＣＶＤ法により作製した後に、この窒化物半導体ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜４２５をスパッタ装置により成膜した。
【０１００】
その後、実施例３と同様の方法によってＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜４２５を形成した後に、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、厚さ０．２μｍのＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層４１６をＭＯＣＶＤ法によって成膜し、厚さ０．３μｍのインジウムスズ酸化物からなる導電性酸化物層４２４をスパッタ成膜法によって成膜し、最後に第一電極４４１、第二電極４４０を形成した。
【０１０１】
このように、第二クラッド層およびｎ型コンタクト層の代わりに導電性酸化物層４２４を用いることによって、活性層４２３上に第二クラッド層を形成する必要がなくなるため、さらに低抵抗化が可能となった。実施例４で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１０２】
（実施例５）
本実施例では、電気伝導性のないサファイア基板上に実施例１で示した窒化物半導体基板を作製した。本実施例の窒化物半導体レーザ素子５１０は、サファイア基板から見て同一方向に第一電極５４１と第二電極５４０とが形成されており、第一ｎ型窒化物半導体層上に第一電極５４１を設けていることを特徴とする。
【０１０３】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子５１０は図９に示されるように、サファイア基板５０１上に、厚さ５μｍのＧａＮからなるバッファ層５０２を成膜し、バッファ層５０２上にｎ型ＡｌyＧａ1-yＮからなる第一クラッド層５１３、ｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層５１４、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層５２１、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるｐ型キャリアブロック層５２２、ＡｌpＩｎqＧａrＮ（０≦ｐ＜１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１）からなる活性層５２３、ｎ型ＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層５１６およびｎ型ＡｌyＧａ1-yＮからなる第二クラッド層５１７を、ＭＯＣＶＤ成膜装置を用いてこの順に形成し、その後、リッジストライプ部を形成するために、フォトリソグラフィ工程等によってマスクが形成されていない部分を第二ｎ型ガイド層５１６の途中までエッチングにより除去し、リッジストライプ部を形成した。
【０１０４】
そして、電流狭窄絶縁膜５２５をＥＢ蒸着法により形成し、ストライプ状のマスクとマスク上の電流狭窄絶縁膜５２５をリフトオフ法により除去し、第二電極５４０を形成した。また、第一クラッド層５１３の途中まで上記で示したフォトリソグラフィ工程によりエッチングにより除去して、更に、エッチングにより露出した第一クラッド層５１３上に第一電極５４１を形成した。このように、第一ｎ型窒化物半導体層上に第一電極５４１を設けることによっても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。なお、本実施例では基板にサファイア基板を用いているが、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ等の基板を用いても同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
（実施例６）
図１０に本発明の実施例６で作製した窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。実施例６の窒化物半導体レーザ素子は、実施例１の窒化物半導体レーザ素子と類似の構造をしており、実施例１〜５は第一ｎ型ガイド層および第二ｎ型ガイド層の材料にＧａＮを用い、第一クラッド層および第二クラッド層の材料にＩｎＧａＮを用いていたが、実施例６においては第一ｎ型ガイド層および第二ｎ型ガイド層の材料にＩｎＧａＮを用い、第一クラッド層および第二クラッド層の材料にＧａＮを用いることを特徴としている。このように、第一ｎ型ガイド層および第二ｎ型ガイド層にＩｎＧａＮを用い、第一クラッド層および第二クラッド層にＧａＮを用いることによっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、実施例６の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例１のそれと同一の構造であるが、井戸層のＩｎ組成を０．３０とした。
【０１０６】
実施例６の窒化物半導体レーザ素子６１０の層構造は、図１０に示されるように、実施例１と同様のＭＯＣＶＤ装置によって、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板からなる窒化物半導体基板６１１上に、厚さ４．５μｍのｎ型ＧａＮからなる第一クラッド層６１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＩｎＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層６１４、厚さ０．２μｍのｐ型ＩｎＧａＮからなるｐ型ガイド層６２１、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型キャリアブロック層６２２、厚さ０．１５２μｍのＡｌpＩｎqＧａrＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）からなる活性層６２３、厚さ０．２μｍのｎ型ＩｎＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層６１６、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮからなる第二クラッド層６１７および厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層６１８をこの順に形成し、その後、実施例１と同様の方法によって、電流狭窄絶縁膜６２５、第一電極６４１および第二電極６４０を形成した。
【０１０７】
このように第一クラッド層６１３および第二クラッド層６１７の材料にＧａＮを用い、第一ｎ型ガイド層６１４および第二ｎ型ガイド層６１６の材料にＩｎＧａＮを用いる窒化物半導体レーザ素子であっても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１０８】
（実施例７）
実施例１〜６によって製造された窒化物半導体レーザ素子はｎ型ＧａＮ基板の主面はｃ面｛０００１｝を用いていたが、実施例７で作製した窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板の主面にＭ面｛１−１００｝の基板を用いることを特徴としている。また、実施例７の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は実施例１のそれと同一の構造であるが、井戸層のＩｎ組成を０．３０とした。本実施例では、基板が主面に対してオフ角度を０．２°で作製したところ、面内の膜厚ばらつきは、５０ｎｍ程度であり、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。また、基板の主面に対するオフ角度は、０°より大きく２°以下の範囲であれば、面内の膜厚ばらつきが５０ｎｍ程度と良好であった。
【０１０９】
（実施例８）
図１１に本発明の実施例８で作製した窒化物半導体レーザ素子の模式的な斜視図を示す。本実施例の窒化物半導体レーザ素子８１０の構造は実施例３の窒化物半導体レーザ素子の構造と類似しているが、ｎ型ＧａＮ基板の主面にＭ面｛１−１００｝を用いている点と、活性層８２３上に、ｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｎ型キャリアブロック層８１６ａが形成されている点とが実施例３と異なり、この点を本実施例の特徴としている。また、実施例８の窒化物半導体レーザ素子８１０の活性層８２３の構造は実施例１の構造と同一であるが、井戸層のＩｎ組成を０．２２としている点で異なっている。
【０１１０】
このように活性層８２３上にｎ型キャリアブロック層８１６ａを作製することにより、キャリアの熱によるオーバーフローを低減でき、温度特性を改善できるだけでなく、活性層８２３上の面内平坦性が向上し、８００℃程度の比較的低温で成膜を行ったときの結晶性が良くなるというメリットがある。
【０１１１】
実施例８の窒化物半導体レーザ素子８１０の層構造は、図１１に示されるように、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮからなる窒化物半導体基板８１１上に、厚さ２．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一クラッド層８１３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型ガイド層８１４、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層８２１、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｐ型キャリアブロック層８２２、厚さ０．１５２μｍのＡｌxＧａ1-xＩｎＮからなる活性層８２３までをＭＯＣＶＤ法により作製した後に、このウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜８２５をスパッタ装置により成膜した。その後、実施例３と同様の方法でＳｉＯ2をストライプ状に除去した。更に、レジストを除去して、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｎ型キャリアブロック層８１６ａ、厚さ０．２μｍのＧａＮからなる第二ｎ型ガイド層８１６、厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第二クラッド層８１７および厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層８１８を窒化物半導体基板８１１側からこの順にＭＯＣＶＤ法によって成膜し、さらに、第一電極８４０、第二電極８４１を形成した。
【０１１２】
実施例８で作製した窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１１３】
（実施例９）
実施例９は実施例６の窒化物半導体レーザ素子においてｎ型コンタクト層の代わりに錫ドープ酸化インジウムからなる導電性酸化物層を用いることを特徴としている。なお、活性層は実施例６と同一のものを用いている。
【０１１４】
すなわち、実施例６と同一の方法で第二クラッド層まで作製し、その後３００℃程度の比較的低温で厚さ０．２μｍの錫ドープ酸化インジウムからなる導電性酸化物層を形成した。導電性酸化物層を成膜することによって、実施例９の窒化物半導体発光素子を作製した。実施例９で作製した窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１１５】
（実施例１０）
実施例１０の窒化物半導体レーザ素子の層構造は実施例８と類似の構造をしているが、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間にｐ＋ＧａＮ層およびｎ＋ＧａＮ層を設けている点において異なり、この点を特徴としている。
【０１１６】
このように、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間にｐ＋ＧａＮ層およびｎ＋ＧａＮ層を設けることによって、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間の空乏層が狭くなり、もってｐｎ接合の抵抗値が小さくなりトンネル電流が流れやすくなるというメリットがある。このように実施例１０で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１１７】
（実施例１１）
実施例１１の窒化物半導体レーザ素子の層構造は実施例８と類似の構造をしているが、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間にＡｌyＧａ1-yＮ中間層を設けている点において異なり、この点を特徴としている。
【０１１８】
このように、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間にＡｌyＧａ1-yＮ中間層を設けることによって、空乏層の幅が小さくなりトンネル電流が流れやすくなるというメリットがある。
【０１１９】
本実施例のｐｎ接合付近のバンドエネルギーダイヤグラムを図１２に示す。図１２において、横軸はＰＮ接合部からの距離を表しており、横軸の５００の位置がＡｌyＧａ1-yＮ中間層とｐ型ガイド層との界面であり、２．５ｎｍのＡｌyＧａ1-yＮ中間層が形成された場合を示している。なお、横軸の単位はｎｍである。左側の縦軸は、エネルギー（ｅＶ）を表しており、右側の縦軸はキャリア濃度（／ｃｍ3）の分布を表している。また、ｐ型ガイド層からｐｎ接合までのｐ型キャリア密度５１の分布を表す曲線と、第一ｎ型ガイド層からｐｎ接合までのｎ型キャリア密度５２の分布を表す曲線とから、窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅６０を求めることができ、この空乏層の幅６０が大きくなるほど、トンネル電流が流れにくいことを示している。
【０１２０】
また、本実施例の窒化物半導体レーザ素子のｐｎ接合付近のバンドエネルギーダイヤグラムにおいて、伝導帯バンドエネルギー５３の変移と、価電子帯バンドエネルギー５４の変移とが図１２のように表され、このフェルミエネルギー５５が一致した平衡状態を示している。この実施例１１の窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅は、２．５ｎｍとなり、これは実施例１０の窒化物半導体レーザ素子の空乏層の幅の１０分の１程度の幅となっていることがわかった。以上のことから、第一ｎ型ガイド層とｐ型ガイド層との間にＡｌyＧａ1-yＮ中間層を設けることによって、空乏層の幅が大幅に狭くなり、素子を低抵抗化することができ、もって、トンネル電流が流れやすくなることがわかった。
【０１２１】
このように実施例１１で作製された窒化物半導体レーザ素子も従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１２２】
（実施例１２）
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、実施例１の窒化物半導体レーザの構造と同じであるが、基板にＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系半導体レーザであることを特徴とする。すなわち、ＧａＡｓ基板上に厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層、厚さ２．０μｍのＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなる第一クラッド層、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるｐ型ガイド層、ＧａＩｎＰからなる井戸層（４層、厚さ６ｎｍ）と（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるバリア層（３層、厚さ５ｎｍ）とからなる活性層、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.50Ｇａ0.50）ＩｎＰからなるｎ型ガイド層、ｎ型のＩｎ0.49（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.51Ｐからなる第二クラッド層、厚さ０．４μｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層を形成した。
【０１２３】
その後に上述したような一般的なプロセスを用いて、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型ガイド層までエッチングにより除去し、リッジストライプ形状の端面出射型のＧａＡｓ系赤色半導体レーザを作製した。リッジストライプ部の両脇には、電流狭窄絶縁膜が形成されている。ｐ型のドーパント材料として、ＭｇもしくはＺｎ、Ｂｅが用いられる。このように、ＧａＡｓ系半導体レーザにおいても好適に用いられる。また、ｎ型ＺｎＯ、ｐ型ＺｎＯを用いた、若しくはＧａＮとＺｎＯを組み合わせることで作製された半導体レーザを用いてもよい。
【０１２４】
（実施例１３）
本実施例の窒化物半導体レーザ素子の構造は、実施例４の窒化物半導体レーザ素子と活性層まで構造が同じで、活性層を成膜した後活性層上にキャリアブロック層が形成されていることを特徴とする。以下に実施例１３の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０１２５】
実施例４と同様の方法で活性層までを成膜した後、厚さ２０ｎｍのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるキャリアブロック層を形成し、その後、窒化物半導体ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜をスパッタ装置により成膜した。その後、実施例４と同様の方法によってＳｉＯ2からなる電流狭窄絶縁膜を形成した後に、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、キャリアブロック層上に厚さ０．２μｍのｎ型ＺｎＯからなる第二ｎ型ガイド層を形成した。その後、厚さ０．３μｍのインジウムスズ酸化物からなる導電性酸化物層をスパッタ成膜法によって成膜し、最後に第一電極、第二電極を形成した。
【０１２６】
本実施例のように、窒化物半導体層上にｎ型ＺｎＯを、スパッタ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＬＤ法等で形成しても、従来例と比べ、平均発振閾値と平均発光効率が良好であり、実施例１と同様の効果が得られた。
【０１２７】
（比較例１）
比較例１の窒化物半導体レーザ素子は、実施例７で作製した窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板の主面がＭ面｛１−１００｝の基板を用い、基板が主面に対してオフ角度を０°で作製したところ、実施例７の窒化物系半導体レーザ素子は面内の膜厚ばらつきは５０ｎｍ程度であったが、比較例１の窒化物系半導体レーザ素子の面内の膜厚ばらつきは、２００〜３００ｎｍ程度であり、実施例１と同様の効果は得られなかった。
【０１２８】
なお、本明細書中で窒化物半導体レーザ素子と表現しているが、この窒化物半導体レーザ素子は半導体レーザに用いられる素子のみに限られず、発光ダイオードに用いられる窒化物半導体発光ダイオード素子も含まれる。
【０１２９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明によれば、より低出力で駆動でき、かつ発光効率のより高く、しかも４４０〜５５０ｎｍ程度の長波長の光を発光する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の窒化物半導体レーザ素子のｐｎ接合部分を表した拡大模式的な断面図である。
【図３】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１２】本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層のｐｎ接合とは別のｐｎ接合にＡｌＮ中間層を形成したときのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１３】従来の窒化物半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０，８１０，９１０，１０１０，２０１０  窒化物半導体レーザ素子、１１  基板、５０１  サファイア基板、５０２  バッファ層、１１１，２１１，３１１，４１１，６１１，８１１，１０１１，２０１１  窒化物半導体基板、１２  第一ｎ型窒化物半導体層、１３，１１３，２１３，３１３，４１３，５１３，６１３，８１３，１０１３，２０１３  第一クラッド層、１４，１１４，３１４，４１４，５１４，６１４，８１４，１０１４，２０１４  第一ｎ型ガイド層、１４ａ  ｎ＋ドープ層、１５，１１５  第二ｎ型窒化物半導体層、１６，１１６，２１６，３１６，４１６，５１６，６１６，８１６，１０１６，２０１６  第二ｎ型ガイド層、１７，１１７，２１７，３１７，５１７，６１７，８１７，１０１７，２０１７  第二クラッド層、１８，２１８，３１８，６１８，８１８，２０１８  ｎ型コンタクト層、２０  ｐ型窒化物半導体層、２１，１２１，２２１，３２１，４２１，５２１，６２１，８２１，１０２１，２０２１  ｐ型ガイド層、２１ａ  ｐ＋ドープ層、２２，１２２，２２２，３２２，４２２，５２２，６２２，８２２，１０２２，２０２２  ｐ型キャリアブロック層、２３，１２３，２２３，３２３，４２３，５２３，６２３，８２３，１０２３，２０２３  活性層、４２４  導電性酸化物層、２５，１２５，２２５，３２５，４２５，５２５，６２５，８２５，１０２５，２０２５  電流狭窄絶縁膜、３０  ＡｌyＧａ1-yＮ中間層、４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０，６４０，８４０，１０４０，２０４０  第二電極、４１，１４１，２４１，３４１，４４１，５４１，６４１，８４１，１０４１，２０４１  第一電極、５１  ｐ型キャリア密度、５２  ｎ型キャリア密度、５３  伝導帯バンドエネルギー、５４  価電子帯バンドエネルギー、５５  フェルミエネルギー、６０  空乏層の幅、７０，１７０，１０７０  リッジストライプ部、２１３ａ  ｐ型クラッド層、８１６ａ  ｎ型キャリアブロック層、９１１  ｎ型ＧａＮ基板、９１３  ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、９１４  ｎ型ＧａＮガイド層、９２０  ｐ型窒化物半導体層、９２１  ｐ型ＧａＮガイド層、９２２  ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層、９２３  ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、９２４  ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、９２４ａ  ｐ型ＧａＮコンタクト層、９２５  ＳｉＯ2膜、９４０  ｐ電極、９４１  ｎ電極。
【図１】
2010016261.tif 000003
【図２】
2010016261.tif 000004
【図３】
2010016261.tif 000005
【図４】
2010016261.tif 000006
【図５】
2010016261.tif 000007
【図６】
2010016261.tif 000008
【図７】
2010016261.tif 000009
【図８】
2010016261.tif 000010
【図９】
2010016261.tif 000011
【図１０】
2010016261.tif 000012
【図１１】
2010016261.tif 000013
【図１２】
2010016261.tif 000014
【図１３】
2010016261.tif 000015