(57)【要約】【課題】安定した特性を有する自励発振型の埋込型の窒化物半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子は、基板の上に形成された窒化物半導体からなる活性層１０６と、活性層１０６の上に形成され、活性層１０６に選択的に電流を流す開口部１０９ａを有する電流狭窄層１０９とを備え、開口部１０９ａと電流狭窄層１０９との実効屈折率差をΔｎとし、活性層１０６から発光するレーザ光のうち活性層１０６に閉じ込められるレーザ光の垂直方向の光閉じ込め率をΓｖとするとき、０．０４４＜Δｎ／Γｖ＜０．０６２の関係を満たす。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に形成され、前記活性層に選択的に電流を流す開口部を有する電流狭窄層とを備え、
前記開口部と前記電流狭窄層との実効屈折率差をΔｎとし、
前記活性層から発光するレーザ光のうち前記活性層に閉じ込められるレーザ光の垂直方向の光閉じ込め率をΓｖとするとき、
０．０４４＜ Δｎ／Γｖ ＜０．０６２の関係を満たすことを特徴とする自励発振型の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、ｎ型不純物を含む一般式がＡｌxＧａ1-xＮ（０．０８≦ｘ≦０．２０）により表される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の自励発振型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】
本発明は埋込型の電流狭窄構造を有する自励発振型の窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ブルーレイディスク（BLU-RAY DISC：登録商標）等の映像記録再生装置用に、窒化物半導体を用いた青紫色半導体レーザ素子の研究開発が盛んに行われている。ブルーレイディスク等の高密度光ディスクシステムでは、レーザ光の戻り光雑音を低減する必要がある。戻り光雑音を低減する方策の１つとして、半導体レーザ素子に自励発振動作をさせる手法がある。
【０００３】
半導体レーザ素子を自励発振させるために、可飽和吸収層を光ガイド層内又はクラッド層内等に設ける方法が提案されている。ドーピング又はドライエッチング等により可飽和吸収層にダメージを与えると、キャリア寿命時間が実効的に短くなるため、自励発振動作が可能となる（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００７−３０００１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光ガイド層内又はクラッド層内等に可飽和吸収層を設けた従来の自励発振型半導体レーザ素子は、温度変化により自励発振動作が不安定となるという問題を有している。また、電流狭窄のためにリッジ構造を形成することが一般的であるが、リッジ構造はドライエッチングにより形成するため、リッジ深さにばらつきが生じやすい。リッジ深さのばらつきも、自励発振動作が不安定となる要因となる。このように、従来の自励発振型の窒化物半導体レーザ素子は量産を行う際に大きな問題を有している。
【０００５】
本発明は、前記の問題を解決し、安定な自励発振を行い且つ製造が容易な窒化物半導体レーザ素子を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、本発明は窒化物半導体レーザ素子を、電流狭窄層と開口部との間の実効屈折率差と、垂直方向の光閉じ込め率との比の値を所定の値とした構成とする。
【０００７】
具体的に、本発明に係る自励発振型の窒化物半導体レーザ素子は、基板の上に形成された窒化物半導体からなる活性層と、活性層の上に形成され、活性層に選択的に電流を流す開口部を有する電流狭窄層とを備え、開口部と電流狭窄層との実効屈折率差をΔｎ、活性層から発光するレーザ光のうち活性層に閉じ込められるレーザ光の垂直方向の光閉じ込め率をΓｖとするとき、０．０４４＜Δｎ／Γｖ＜０．０６２の関係を満たすことを特徴とする。
【０００８】
本発明の自励発振型窒化物半導体レーザ素子は、０．０４４＜Δｎ／Γｖ＜０．０６２の関係を満たす。この条件を満たす場合には、活性層における電流注入領域の両側部を自励発振に適したサイズの可飽和吸収領域とすることができる。このため、安定して自励発振動作をする窒化物半導体素子を実現できる。また、ドライエッチングを用いてリッジ部を形成する必要がないため製造も容易となる。
【０００９】
本発明の自励発振型窒化物半導体レーザ素子において、電流狭窄層はｎ型不純物を含む一般式がＡｌxＧａ1-xＮ（０．０８≦ｘ≦０．２０）により表される化合物とすればよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る自励発振型窒化物半導体レーザ素子によれば、安定した特性を有する自励発振型の窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
青紫色半導体レーザは、高密度光ディスク用の光源として適している。しかし、ディスクを再生する際に光ディスクからの戻り光によって生じるノイズが問題となっている。本願発明者らは、埋込型の電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子に着目し、戻り光によって生じるノイズ等の問題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、式（１）により示される条件を満たすことにより、安定した特性を有する自励発振型の窒化物半導体レーザ素子を実現することができることを発見した。
【００１２】
０．０４４＜ Δｎ／Γｖ ＜０．０６２  ・・・  式（１）
ここでΔｎは、実効屈折率差であり、電流狭窄層の実効屈折率ｎ１と、電流狭窄層に形成された開口部の実効屈折率ｎ２との差である。Γｖは、垂直方向の光閉じ込め率であり、活性層において発光して垂直方向に分布するレーザ光のうち活性層に閉じ込められたレーザ光の割合である。
【００１３】
以下に、一実施形態として図面を用いて詳細に説明する。以下の図面においては、説明を簡略化するため、実質的に同一の機能を有する構成要素に同一の参照符号を附す。なお、本発明は以下の一実施形態に限定されない。
【００１４】
（一実施形態）
まず、一実施形態に係る自励発振型窒化物半導体レーザ素子の構成について説明する。図１は、一実施形態に係る自励発振型窒化物半導体レーザ素子の構成例を示している。図１に示すように、ＧａＮからなる２インチの基板１０２の上に、ｎ−ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型ガイド層１０５、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６、第１のｐ型ガイド層１０８及び電流狭窄層１０９が順次形成されている。各層の組成は一般的な窒化物半導体レーザ素子と同じでよく、例えばｎ型クラッド層１０４にｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを用い、ｎ型ガイド層１０５にｎ−ＧａＮを用い、活性層１０６にＩｎＧａＮを用い、第１のｐ型ガイド層１０８にｐ型ＧａＮを用い、電流狭窄層にｎ−Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎを用いればよい。また、第１のｐ型ガイド層１０８内にｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるオーバーフロー抑制層（図示せず）が含まれてもよい。
【００１５】
電流狭窄層１０９は第１のｐ型ガイド層１０８を露出する開口部１０９ａを有し、電流狭窄層１０９の上には開口部１０９ａを埋めるように、第２のｐ型ガイド層１１０が再成長により形成されている。第２のｐ型ガイド層１１０はｐ−ＧａＮとすればよい。第２のｐ型ガイド層１１０の上には、例えばｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型クラッド層１１１及びｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１２が形成されている。ｐ型コンタクト層１１２の上にはｐ型電極１１３が形成され、基板１０２の成長層が形成されていない面にｎ型電極１１４が形成されている。
【００１６】
次に、本実施形態の自励発振型窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明する。図２（ａ）に示すように、ＧａＮからなる２インチの基板１０２の上に、ｎ−ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型ガイド層１０５、活性層１０６、第１のｐ型ガイド層１０８及び電流狭窄層１０９を順に成長させる。
【００１７】
次に、図２（ｂ）に示すように、電流狭窄層１０９の一部を光電気化学（ＰＥＣ；Photoelectrochemical）エッチング等により除去し、開口部１０９ａを形成する。ＰＥＣエッチングを適用することによって、下地の第１のｐ型ガイド層１０８を除去することなく、安定したエッチングを行うことができる。なお、ＰＥＣエッチングの際には、基板１０２の底面に酸化膜等の保護膜（図示せず）を形成する。
【００１８】
ＰＥＣエッチングは、ＧａＮ基板を電解液に浸して、被エッチング対象である電流狭窄層に外部から紫外線を照射しながら行う。紫外線照射により電流狭窄層の表面に正孔が発生し、発生した正孔により電流狭窄層の溶解反応が生じることを利用してエッチングを行う。ＰＥＣエッチングを用いることにより、埋込構造の窒化物半導体レーザ素子を安定して得ることができる。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、電流狭窄層１０９の上及び開口部１０９ａから露出した第１のｐ型ガイド層１０８の上に、ｐ−ＧａＮからなる第２のｐ型ガイド層１１０、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１１及びｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１２を順次再成長させる。第２のｐ型ガイド層１１０の再成長は、Ｍｇ等のｐ型不純物を添加しながら行う。
【００２０】
最後に、図２（ｄ）に示すように、窒素雰囲気において７８０℃で２０分間の活性化アニールを行い、ｐ型層をより低抵抗化する。その後、ｐ型コンタクト層１１２の上にｐ型電極１１３を形成する。ｐ型電極１１３は、ニッケル（Ｎｉ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含む多層膜とることが好ましい。続いて、基板１０２のＶ族面側に対して研磨を行い、基板１０２を薄膜化した後、研磨した面にｎ型電極１１４を形成する。ｎ型電極１１４は、チタン（Ｔｉ）又はバナジウム（Ｖ）を含む多層膜とすることが好ましい。
【００２１】
本実施形態の半導体レーザ素子は、埋込型であり電流狭窄層１０９が活性層に選択的に電流を流す開口部１０９ａを有している。このため、ｐ型電極１１３に印加された電流は、電流狭窄層１０９において狭窄され開口部１０９ａの部分を流れて、活性層１０６に注入される。しかし、図３に示すように発光スポット１２１は、電流狭窄層１０９の開口部１０９ａの幅よりも拡がる。この光の拡がりにより電流注入領域の両側の活性層１０６中にキャリアが生成され、電流狭窄層１０９の下部の活性層１０６に、少しの電流が注入されればレーザ発振を起こす領域（可飽和吸収領域）が生じる。この領域が可飽和吸収領域１２５として作用することにより自励発振型の半導体レーザ素子を実現できる。開口部１０９ａより第１のｐ型ガイド層１０８中を横方向に拡散した電流により安定した自励発振動作をさせるためには、可飽和吸収領域１２５を適正なサイズにする必要がある。可飽和吸収領域１２５のサイズは、電流狭窄層１０９と開口部１０９ａとの実効屈折率差Δｎと、垂直方向の光閉じ込め率Γｖにより調整することができる。なお、実効屈折率差Δｎは、電流狭窄層１０９の実効屈折率ｎ１と、開口部１０９ａの実効屈折率ｎ２との差である。
【００２２】
本実施形態において開口部１０９ａには、ｐ−ＧａＮからなる第２のｐ型ガイド層１１０が埋込まれている。このため、開口部１０９ａの実効屈折率ｎ２は主にＧａＮの屈折率により決定される。一方、電流狭窄層１０９の実効屈折率ｎ１は主にＡｌＧａＮの屈折率により決定されるため、ｎ２はｎ１よりも大きくなる。また、垂直方向の光閉じ込め率Γｖは、活性層１０６において発光したレーザ光の垂直方向の分布に占める活性層１０６に閉じ込められたレーザ光の割合である。
【００２３】
以上のような構成の半導体レーザ素子において、電流狭窄層１０９と開口部１０９ａとの実効屈折率差Δｎ及び垂直方向の光閉じ込め率Γｖは、各層の膜厚及び組成によって変化させることができる。例えば、ｎ型クラッド層１０４のＡｌ組成及び膜厚、ｎ型ガイド層１０５の膜厚、活性層１０６の量子井戸（ＱＷ）数、第１のｐ型ガイド層１０８の膜厚、電流狭窄層１０９のＡｌ組成及び膜厚、第２のｐ型ガイド層１１０の膜厚及びｐ型クラッド層１１１のＡｌ組成及び膜厚等を変化させることにより、種々の実効屈折率差Δｎ及び光閉じ込め率Γｖを有する半導体レーザ素子が得られる。
【００２４】
表１に実際に作成した半導体レーザ素子の一部を示す。ｎ−ＧａＮ層１０３の厚さは２μｍ、ｎ型クラッド層１０４は厚さが１．６μｍのｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ、ｎ型ガイド層１０５は厚さが１５０ｎｍのｎ−ＧａＮとした。活性層１０６は、厚さが３ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎと厚さが７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎとのペアとした。第１のｐ型ガイド層１０８及び第２のｐ型ガイド層１１０はｐ−ＧａＮ、電流狭窄層１０９はｎ−ＡｌXＧａ1-XＮとした。電流狭窄層１０９の開口部１０９ａの幅は１μｍとした。ｐ型クラッド層１１２は厚さが５００ｎｍのｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎとした。表１において実効屈折率差Δｎ及び光閉じ込め率Γｖは、各層の組成及び膜厚を用いて計算した値である。なお、ＧａＮの屈折率は２．５３４、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの屈折率は２．５００５、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎの屈折率は２．４５７７として計算を行った。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図４は、表１に示したサンプル及びその他のサンプルについて、縦軸にΔｎをとり、横軸にΓｖをとってプロットしたグラフを示している。図４において●印のサンプルは自励発振を確認できたサンプルを示し、×印のサンプルは自励発振を確認できなかったサンプルを示す。また、グラフに記載した数値はΔｎ／Γｖの値である。図４に示すように、０．０４４＜ Δｎ／Γｖ ＜０．０６２の条件を満たす場合には自励発振をした。この場合、図５（ａ）に示すように光出力波形が時間的に変化した。また、図５（ｂ）に示すように発振スペクトルもマルチモード化しており、自励発振をしている。一方、Δｎ／Γｖ≧０．０６２の場合には、図６（ａ）に示すように光出力波形の時間的変化が認められなかった。また、図６（ｂ）に示すように発振スペクトルもシングルモードとなった。これは、発光スポットの横方向の拡がりが少なくなり、活性層における可飽和吸収領域として作用する領域が少なすぎるためであると考えられる。Δｎ／Γｖ≦０．０４４の場合には、図７（ａ）に示すように光出力波形の時間的変化が認められなかった。また、図７（ｂ）に示すように発振スペクトルはマルチモードとなった。これは、発光スポットの横方向の拡がりが大きくなり、活性層における可飽和吸収領域として作用する領域が大きくなりすぎたためであると考えられる。
【００２７】
表１においては、Δｎ及びΓｖの値を制御する際にガイド層及び電流狭窄層の膜厚だけを変化させているが、組成を変化させてもよい。また、ｎ−ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型ガイド層１０５及びｐ型クラッド層１１１の膜厚及び組成は一定としたがこれらについても変化させてもよい。さらに、各層は、一般式がＢwＡｌxＩｎyＧａ1-w-x-yＮ（但し、０≦ｗ，ｘ，ｙ≦１、ｗ＋ｘ＋ｙ≦１）で表される化合物を任意に組み合わせて形成することができる。
【００２８】
電流狭窄層１０９がＡｌxＧａ1-xＮからなる場合、実効屈折率差Δｎの値は、電流狭窄層１０９のＡｌ組成ｘを大きくし且つ膜厚を厚くすると制御が容易となる。しかし、電流狭窄層１０９のＡｌ組成ｘを高くしすぎるとクラックが発生しやすくなる。例えば、Ａｌ組成ｘが０．０８程度よりも小さい場合には、実効屈折率差Δｎの制御が困難となる。また、Ａｌ組成ｘが０．２０程度よりも大きい場合にはクラックが発生するおそれが高くなる。このため、電流狭窄層１０９のＡｌ組成ｘは、０．０８以上且つ０．２０以下程度の範囲とすることが好ましい。また、電流狭窄層１０９の膜厚は５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下程度の範囲とすることが好ましい。
【００２９】
実効屈折率差Δｎの値は、２．８７×１０-3 ≦Δｎ≦ ４．００×１０-3の範囲とすることが好ましく、Γｖは０．０５４≦Γｖ≦０．０７６の範囲とすることが好ましい。また、開口部１０９ａの幅は特に限定されないが、幅が１μｍ程度よりも小さい場合には活性層１０６へ流れる電流が小さくなりすぎる。また、幅が２μ程度を越えると電流注入領域が大きくなりすぎ自励発振が困難となる。従って、１μｍ以上且つ２μｍ以下程度の範囲とすることが好ましい。
【００３０】
図４において、厚さが３ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎと厚さが７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎとが４ペアの量子井戸活性層の場合には、自励発振動作が確認できていない。しかし、活性層１０６が４ペア又はそれ以下の場合であっても、Δｎ／Γｖを０．０４４よりも大きく且つ０．０６２未満の範囲とすることにより自励発振動作を行わせることができる。また、８ペア以上の場合も同様である。但し、活性層１０６が５ペア〜７ペア程度の場合にはΔｎ／Γｖの値を容易に０．０４４よりも大きく且つ０．０６２未満の範囲とすることができる。また、活性層をＩｎ組成が異なる２種類のＩｎＧａＮ層の組み合わせとしたが、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との組み合わせとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る自励発振型の窒化物半導体レーザ素子は、安定な自励発振動作を行うため、特に光ディスク装置に用いるレーザ素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示の自励発振型窒化物半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】例示の自励発振型窒化物半導体レーザ素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】実効屈折率差及び垂直方向の光閉じ込め率を説明するための模式図である。
【図４】実効屈折率差及び垂直方向の光閉じ込め率と自励発振動作との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は０．０４４＜Δｎ／Γｖ＜０．０６２の条件を満たす場合の動作状態を示し、（ａ）は光出力波形を示すグラフであり、（ｂ）は発振スペクトルを示すグラフである。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は０．０６２≦Δｎ／Γｖの条件を満たす場合の動作状態を示し、（ａ）は光出力波形を示すグラフであり、（ｂ）は発振スペクトルを示すグラフである。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は０．０４４≧Δｎ／Γｖの条件を満たす場合の動作状態を示し、（ａ）は光出力波形を示すグラフであり、（ｂ）は発振スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０２      基板
１０３      ｎ−ＧａＮ層
１０４      ｎ型クラッド層
１０５      ｎ型ガイド層
１０６      活性層
１０６      多重量子井戸ＭＱＷ活性層
１０８      第１のｐ型ガイド層
１０９      電流狭窄層
１０９ａ    開口部
１１０      第２のｐ型ガイド層
１１１      ｐ型クラッド層
１１２      ｐ型コンタクト層
１１３      ｐ型電極
１１４      ｎ型電極
１２１      発光スポット
１２５      可飽和吸収領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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