(57)【要約】  本発明は、大出力動作に適する、信頼性の高いIII族窒化物半導体レーザを提供する。III族窒化物半導体レーザのファブリペロ型共振器に対して、光出射端面の端面保護膜として、Ｇａをドープした誘電体膜を用いることで、ＣＯＤレベルの経時的な低下を抑制する。
2008093703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層がこの順に積層されており、
前記発光層は、少なくともＧａを構成元素として含むIII族窒化物で構成されているIII族窒化物半導体レーザであって、
該III族窒化物半導体レーザの光出射端面に、半導体層と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜を含んでなる端面保護膜が被覆されている
ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記端面保護膜は、半導体層と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜からなる第一の層と、Ｇａを構成元素として含まない誘電体膜からなる第二の層の少なくとも二層からなる
ことを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項３】
Ｇａを構成元素として含む誘電体膜中のＧａ濃度は、０．５質量％以上である
ことを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力半導体レーザ素子に関する。特には、高出力動作に適し、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
大量のデジタル情報を記録する手段として、半導体レーザを書き込み光源に用いる光ディスクが広く利用されるようになっている。特に、発光層に窒化ガリウム系半導体材料を利用する半導体レーザは、その発振波長は、短波長の青紫色領域にあり、光学レンズで集光した際、その焦点は極めて小さいスポット径とできる。この特徴から、III族窒化物半導体レーザは、次世代大容量光ディスク装置の書き込み光源として期待されている。加えて、記録用途の光ディスクでは、高速化、大容量化のため、書き込み光源用半導体レーザの高出力化が求められており、１００ｍＷを超えるレベルの出力が要求される。【０００３】
図１に、端面発光型のIII族窒化物半導体レーザに利用される多数の構造中、代表的なものとして、リッジ導波路型半導体レーザの断面構造を示す。図１に示すリッジ導波路型半導体レーザでは、例えば、ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、光ガイド層１０３，活性層１０４、光ガイド層１０５、ｐ型クラッド層１０６などの積層構造を形成した後、ｐ型クラッド層１０６がドライエッチングによりリッジ状に加工されている。リッジトップは、ストライプ状開口部を有す絶縁膜１０７で覆われており、開口部にｐ型電極１０８が設けられる。電流狭窄は、開口部に設けるストライプ状電極によりなされている。また、リッジ幅およびリッジ高さを調整することにより、実効的な屈折率差を設け、横モードの制御がなされる。共振器が劈開により形成されている、ファブリペロ型半導体レーザであり、レーザ光は、劈開により形成された共振ミラー１０９から出射される。【０００４】
半導体レーザでは、一般に、端面保護のため、レーザ端面を誘電体膜でコーティングする。高出力用途の半導体レーザでは、出射効率を上げるため、出射端面（前方端面）には、低反射（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ，ＡＲ）コートを、反対側の端面（後方端面）には、高反射（Ｈｉｇｈ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ，ＨＲ）コートを施す。リッジ導波路型窒化ガリウム系半導体レーザでは、一般的に、そのリッジストライプ幅は、１〜２μｍと狭い。１００ｍＷ以上の高出力時には、その出射端面光密度は、数１０ＭＷ／ｃｍ２以上の極めて高い値に達する。従って、高出力動作において、長期の信頼性を確保する上では、レーザ端面での突発的な破壊（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ；ＣＯＤ）を抑えることが重要となる。【０００５】
ＣＯＤは、ＣＤ用のＡｌＧａＡｓ系７８０ｎｍ帯レーザ、ＤＶＤ用のＡｌＩｎＧａＰ系６５０ｎｍレーザなど、短波長発振のIII−Ｖ族化合物半導体レーザの主要な劣化要因として知られている。また、窒化ガリウム系半導体レーザにおいても、高出力動作条件では、ＣＯＤが生じることが報告されている。一般に、ＣＯＤの発生メカニズムには、次の（１）〜（３）の過程が関与すると理解される。
（１）  端面近傍におけるレーザ光の吸収；
（２）  電子、正孔対の生成と、端面に存在する非発光再結合準位を介する非発光再結合による端面温度上昇；
（３）  温度上昇に起因して光学的バンドギャップが減少し、端面近傍での光吸収量の増大。【０００６】
すなわち、非発光再結合準位を介する非発光再結合に起因して、端面温度が上昇する結果、光吸収量が増大する、上記（２）と（３）のフィードバックループによって、端面近傍の温度が急激に上昇し、結晶の融点に達すると、ＣＯＤ破壊が生じる。一般に、ＣＯＤ破壊を引き起こす光出力は、端面に存在する非発光再結合準位の密度が増すと低下する。出射端面にはレーザ光が集中しており、非発光再結合準位の密度が経時的に増加するため、ＣＯＤ破壊を引き起こす光出力は、動作時間が増えるとともに低下する。【０００７】
従って、ＣＯＤを抑えるためには、初期のＣＯＤ破壊出力を高くすることと、非発光再結合準位の密度の経時的な増加を抑制することの二点が重要となる。【０００８】
ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＰ系の半導体レーザでは、ＣＯＤを抑制する手段として、多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ，ＭＱＷ）活性層を採用し、その端面近傍のみ無秩序化させる窓構造がしばしば利用されている。ＭＱＷの無秩序化により、その領域では、光学的バンドギャップが増大するため、端面での光吸収、温度上昇が抑制され、結果的に、ＣＯＤが抑制される。ＭＱＷの無秩序化を行う手段として、
（ａ）  不純物や空孔の拡散
（ｂ）  イオン注入後アニール
などの手法が報告されている。これらの手法は、不純物や空孔を導入して、III族元素の相互拡散を促進することにより、ＭＱＷを構成する井戸層と障壁層の間で混晶化を引き起こすものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＰ系のIII−Ｖ族化合物半導体と異なり、III族窒化物半導体は、III族元素の相互拡散が生じ難いという特徴を有している。例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの混晶化には、１３００℃以上のアニールが必要となる。【００１０】
ＣＯＤ抑制に最も効果のある窓構造に関して、III族窒化物半導体においては、端面近傍のみ、ＭＱＷ活性層の無秩序化を施し、窓構造とすることが極めて困難である。例えば、イオン注入によるＭＱＷの無秩序化を行う場合でも、１０００℃以上の高温で、長時間のアニール処理が必要である。前記の条件で、高温アニール処理を実施すると、ＭＱＷ活性層全体でも、ある程度混晶化が進行する。そのため、例えば、ＭＱＷ活性層の利用による閾値電流の低減効果が損なわれ、レーザ特性が大幅に劣化する問題が生じる。このようにIII族窒化物系半導体レーザの場合、ＭＱＷ活性層全体には影響を与えず、端面近傍のＭＱＷ活性層のみを選択的に無秩序化する手段が無いため、ＭＱＷ活性層の無秩序化を利用する窓構造を採用することはできない。【００１１】
発明者らの詳細な検討より、III族窒化物半導体と、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系III−Ｖ族化合物半導体では、ＣＯＤ発生に至る際、端面温度上昇を引き起こす原因となる、非発光再結合に主に関与する、端面に存在する非発光再結合準位の種類が全く相違することを見出した。【００１２】
ファブリペロ型半導体レーザでは、共振器ミラーは、通常、劈開により作製される。その際、劈開は、通常、大気中で行われるため、半導体の劈開面の自然酸化が生じ、極く薄い酸化被膜が形成される。この劈開で形成される端面上に、端面保護膜を堆積すると、その界面（半導体の劈開面）には、極く薄い酸化被膜が残留している。ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系III−Ｖ族化合物半導体のレーザでは、酸化により端面近傍に導入された酸素は、深いドナー準位を形成する。この酸素に由来する深いドナー準位は、端面で生成する、電子−正孔対に対して、非発光再結合準位として機能する。端面に、酸化被膜に由来して、酸素が多量に導入され、非発光再結合準位を高い面密度で形成すると、この非発光再結合準位を介する非発光再結合の増大が契機となり、ＣＯＤ破壊に至るフィードバックループが開始される。従って、特開２００１−１７７１８０号公報や特開２００２−３３５０５３号公報に開示されている手法を適用し、酸化被膜を除去し、清浄な半導体層端面を露出してから、保護膜を形成することが、ＣＯＤの抑制に効果的である。【００１３】
それに対して、III族窒化物半導体では、酸素は、比較的に浅いドナー準位を形成する。従って、半導体の劈開面の自然酸化が生じ、極く薄い酸化被膜が形成され、その界面近傍に酸素に由来する不純物準位が生成しても、非発光再結合準位としては機能しない。III族窒化物半導体においては、III族原子が欠落し、例えば、Ｇａ空孔（ＶＧａ）が生成されると、このＧａ空孔（ＶＧａ）は、深い準位となり、非発光再結合準位として機能する。劈開端面に形成された酸化被膜は、III族金属の酸化物で構成され、III族窒化物と良好な界面を形成する。この酸化被膜が存在する状態では、III族窒化物から、III族原子がこの酸化被膜を介して、離脱することで、例えば、Ｇａ空孔（ＶＧａ）が生成する現象は寧ろ抑制される。換言するならば、III族窒化物半導体の劈開端面に形成された酸化被膜は、この劈開端面近傍に、III族原子の空孔、例えば、Ｇａ空孔（ＶＧａ）が生成する現象は寧ろ抑制する機能を有している。その結果、III族原子の空孔、例えば、Ｇａ空孔（ＶＧａ）の生成が抑制されると、結果として、ＣＯＤの抑制にも役立つことが判明した。すなわち、ＣＯＤの発生を抑制するためには、劈開端面に形成された酸化被膜を、いかに良好な界面状態を維持したまま保存するかが課題となる。【００１４】
以上に説明するように、従来のＡｌＧａＡｓ系やＡｌＩｎＧａＰ系のファブリペロ型半導体レーザにおいては、半導体の劈開面の自然酸化により形成される酸化被膜の除去は、ＣＯＤの抑制に効果的であるが、III族窒化物半導体レーザでは、寧ろ、劈開端面に形成された酸化被膜を、いかに良好な界面状態を維持したまま保存することが、ＣＯＤの発生を抑制するために必要である。【００１５】
本発明は、前記の課題を解決するものである。本発明の目的は、ファブリペロ型III族窒化物半導体レーザにおいて、半導体の劈開面の自然酸化により形成される酸化被膜を、良好な界面状態を維持したまま保存し、この酸化被膜の表面に端面保護膜を形成している新規な構成を具えるIII族窒化物半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、上記の課題を解決すべく、検討を行った。【００１７】
まず、ファブリペロ型III族窒化物半導体レーザにおいて、出射端面（前方端面）に設けるＡＲ膜として、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜のように、Ｇａを構成成分に含まない誘電体膜を使用する際、ＣＯＤの発生するメカニズムを検討した。III族窒化物の自然酸化によって、その劈開端面に形成される酸化被膜は、該III族窒化物を構成するIII族金属の酸化物で構成されている。特に、活性層を構成するIII族窒化物は、ＩｎＧａＮなどの組成を有するが、III族元素中、Ｇａが主成分となっているため、劈開端面に形成される酸化被膜中においても、Ｇａの酸化物は主成分となっている。この酸化被膜上に、Ｇａを構成成分に含まない誘電体膜を堆積し、ＡＲ膜としている場合、半導体レーザを駆動し、この出射端面（前方端面）の温度が上昇すると、酸化被膜と誘電体膜との間で熱的に拡散が進行する。Ｇａに着目すると、誘電体膜中には、Ｇａが含まれず、一方、酸化被膜中に含まれるＧａの濃度は格段に高いため、酸化被膜から誘電体膜へとＧａが拡散される。その際、酸化被膜自体の膜厚は、極めて薄いため、前記のＧａの拡散量は僅かであっても、酸化被膜中に含まれるＧａの濃度は、時間経過とともに有意に減少する。【００１８】
一方、酸化被膜とIII族窒化物半導体の界面に着目すると、劈開端面から酸化が進行して形成されているため、当初、その界面は良好な界面を形成し、界面の近傍における、III族金属の空孔、例えば、Ｇａ空孔（ＶＧａ）は実質的に存在していない。しかし、酸化被膜中に含まれるＧａの濃度が低下すると、III族窒化物半導体から酸化被膜へとＧａの拡散が誘起される。その結果、界面の近傍においては、III族窒化物半導体から酸化被膜へのＧａ拡散に付随して、Ｇａ空孔（ＶＧａ）が生成される。換言すると、半導体レーザの積算駆動時間が増すとともに、酸化被膜とIII族窒化物半導体の界面に、生成されたＧａ空孔（ＶＧａ）が蓄積され、該界面の近傍に存在するＧａ空孔（ＶＧａ）の面密度が時間経過とともに上昇する。このＧａ空孔（ＶＧａ）は、非発光再結合準位として機能するため、該界面の近傍に存在するＧａ空孔（ＶＧａ）の面密度が時間経過とともに上昇し、あるレベルを超えると、ＣＯＤが発生する。【００１９】
本発明者は、前記のメカニズムによるＣＯＤの発生を抑制するためには、酸化被膜中に含まれるＧａの濃度低下を抑制することが有効であるという着想を得た。その手段として、酸化被膜から、その上に堆積される誘電体膜へのＧａの拡散を抑制する手段が有効であることに想到した。酸化被膜上に堆積される誘電体膜中に予めＧａを含有させておくと、酸化被膜中のＧａ濃度：Ｃ１と誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２と比率：Ｃ１／Ｃ２は、格段に低減でき、酸化被膜から誘電体膜へのＧａ拡散の速度を格段に遅くすることが可能であることを見出した。特に、誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２を、０．５質量％以上とすることで、比率：Ｃ１／Ｃ２は、格段に低減され、酸化被膜から誘電体膜へのＧａ拡散の速度を格段に遅くなる結果、経時的なＣＯＤ破壊出力の低下を十分に抑制できることを検証した。【００２０】
一方、誘電体膜中におけるＧａの拡散に着目すると、劈開端面に接して、Ｇａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造とする場合、Ｇａを含有していない誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ３と、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２の比率：Ｃ２／Ｃ３は、大きな値となる。そのため、両者の界面では、Ｇａを含有する誘電体膜からＧａを含有していない誘電体膜へのＧａの拡散が生じる。その際、Ｇａを含有する誘電体膜の膜厚が、一定の膜厚を超えると、Ｇａを含有していない誘電体膜へのＧａ拡散は、酸化被膜との界面付近の、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度に実質的に影響しないことに想到した。すなわち、酸化被膜上に、接するように、所定の膜厚のＧａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造を採用することでも、酸化被膜から誘電体膜へのＧａ拡散の速度を格段に遅くすることが可能であることを見出した。【００２１】
一方、元々、Ｇａを構成成分に含まない誘電体膜、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜中にＧａを含有させると、Ｇａの濃度が増すと、光吸収の増加が起こる。なお、このＧａの添加に起因する光吸収は、母材である誘電体中の構成元素をＧａが置換した際、置換される構成元素とＧａの化学的性質に差違が存在することによって、例えば、未結合手などの欠陥が発生することに起因する。あるいは、このＧａの添加に起因する光吸収は、置換される構成元素とＧａの電子状態に差違が存在することによって、例えば、Ｇａに局在する準位が形成され、この局在準位による吸収に起因する。このＧａの添加に起因する光吸収が生じると、吸収された光エネルギーは、その後、熱的エネルギーに変換され、局所的な温度上昇の要因の一つとなる。半導体と酸化被膜との界面における非発光再結合に起因する温度上昇要因に加えて、このＧａを含有する誘電体膜の利用に付随する、付加的な温度上昇要因が存在するため、ＣＯＤを引き起こす光出力レベル「ＣＯＤ破壊出力」が低下する。【００２２】
本発明者は、前記の機構による「ＣＯＤ破壊出力」の低下を軽減するためには、Ｇａを含有する誘電体膜で生じる光吸収量を抑制することが有効であることを見出した。その際、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度を維持しつつ、Ｇａを含有する誘電体膜で生じる光吸収量を抑制する上では、酸化被膜上に、接するように、所定の膜厚のＧａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造を採用することが有効であることを検証した。【００２３】
本発明者は、上記の一連の知見に基づき、本発明を完成するに至った。【００２４】
すなわち、本発明にかかるIII族窒化物半導体レーザは、
基板上に、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層がこの順に積層されており、
前記発光層は、少なくともＧａを構成元素として含むIII族窒化物で構成されているIII族窒化物半導体レーザであって、
該III族窒化物半導体レーザの光出射端面に、半導体層と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜を含んでなる端面保護膜が被覆されている
ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザである。【００２５】
その際、
前記端面保護膜は、半導体層と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜からなる第一の層と、Ｇａを構成元素として含まない誘電体膜からなる第二の層の少なくとも二層からなる構成を選択することが好ましい。また、
Ｇａを構成元素として含む誘電体膜中のＧａ濃度は、０．５質量％以上であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明にかかるIII族窒化物半導体レーザは、高出力動作を行う際、ＣＯＤを発生させる光出力レベルの経時的な低下を抑制できる。加えて、このＣＯＤを発生させる光出力レベルの経時的な低下を抑制する手段として利用する、半導体層と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜に加えて、その上層にＧａを構成元素として含まない誘電体膜を積層する二層構造とすることで、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜の膜厚を必要最少源に留めることが可能となる。その結果、「初期ＣＯＤ破壊出力」の低下を軽減しつつ、ＣＯＤを発生させる光出力レベルの経時的な低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明にかかるIII族窒化物半導体レーザで利用されるリッジ導波路型レーザ構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明かかるIII族窒化物半導体レーザを作製する工程を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、ファブリペロ型共振器の光出射端面（前方端面）に設けるＡＲ膜中のＧａ濃度と、半導体レーザの素子寿命の相関関係を示す図である。
【図４】図４は、ファブリペロ型共振器の光出射端面（前方端面）に設けるＡＲ膜中、Ｇａ含有誘電体層厚と、初期ＣＯＤ破壊出力の相関関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
図中に示す下記の符号は、それぞれ、下記するものを意味する。
１０１  ＧａＮ基板
１０２  ｎ型クラッド層
１０３  光ガイド層
１０４  活性層
１０５  光ガイド層
１０６  ｐ型クラッド層
１０７  絶縁膜
１０８  ｐ型電極
１０９  共振ミラー
３０１  ｎ型ＧａＮ基板
３０２  Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
３０３  ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
３０４  ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層
２０５  ３周期ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）層
２０６  Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層
２０７  ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層
２０８  ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
２０９  ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１０  ＳｉＯ２膜
２１１  ＳｉＯ２ストライプ
２１２  ＳｉＯ２膜
２１３  レジスト
２１４  Ｐｄ／Ｐｔ  ｐ電極
２１５  カバー電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明にかかるIII族窒化物半導体レーザの素子構造および作製方法を、図を参照して、詳しく説明する。【００３０】
例えば、記録用途の光ディスクでは、高速化、大容量化のため、書き込み光源用半導体レーザの高出力化が求められており、次世代大容量光ディスク装置の書き込み光源に利用される、III族窒化物半導体レーザでは、１００ｍＷを超えるレベルの出力が要求される。一方、高出力のIII族窒化物半導体レーザの信頼性を高める上では、ＣＯＤ破壊を引き起こす「初期ＣＯＤ破壊出力」を高くし、また、半導体レーザを、高出力条件で、長期にわたって使用する際、「ＣＯＤ破壊出力」の経時的な低下を抑制することが不可欠である。【００３１】
「ＣＯＤ」の発生を抑制する上では、III族窒化物半導体レーザの光出射端面における局所的な温度上昇を引き起こす原因である、出射端面に存在する非発光再結合準位を介する、電子−正孔対の非発光再結合の増加を抑制することが必要である。【００３２】
本発明では、III族窒化物半導体レーザにおいて、基板上に、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層がこの順に積層され、レーザの共振器は、前記の層状構造の半導体を劈開することで作製している。すなわち、III族窒化物半導体レーザは、ファブリペロ型共振器を具え、その共振器の両端面には、劈開面が利用され、さらに、この劈開面を保護する目的で、端面保護膜によって、劈開面を被覆している。【００３３】
一方、発光層は、少なくともＧａを構成元素として含むIII族窒化物で構成されている構造としている。図１には、本発明にかかる、ファブリペロ型III族窒化物半導体レーザに利用可能な、リッジストライプ構造のIII族窒化物系半導体レーザの構造の一例を示す。図１に示す構成では、ｎ型基板１０１上に、ｎクラッド層１０２、ｎ型ガイド層１０３、活性層１０４、ｐ型ガイド層１０５、ｐクラッド層１０６が積層されている。ｐクラッド層１０６には、リッジストライプ構造が形成され、その両側との間に、実効的な屈折率差Δｎｅｆｆが形成される。このリッジストライプ構造に加工されたｐクラッド層１０６の表面は、絶縁膜として、誘電体膜１０７で被覆する形状とされ、リッジの頂部に、ストライプ状に、ｐ電極１０８との接合部（開口部）が設けられている。従って、このストライプ状の開口部から注入される電流は、ｐクラッド層１０６のリッジ部分全体に広がるが、そのストライプの両側への電流拡散は抑制されている。なお、レーザ発振波長λの光に対して、活性層１０４の領域のみが光吸収が可能である。【００３４】
例えば、基板１０１として、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板を利用し、その上に、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層を順次エピタキシャル成長により形成する。その際、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層の部分は、図２（ａ）に示すように、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板３０１上に、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０２Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層３０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型光閉じ込め層３０４、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎバリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層３０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型光閉じ込め層３０７、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層３０８、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるコンタクト層３０９で構成する。すなわち、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型光閉じ込め層３０４、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎバリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層３０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型光閉じ込め層３０７の部分が、発光層に相当している。【００３５】
本発明では、出射端面における、発光層によるレーザ光の吸収を低減する目的で、窓構造を設ける構成を利用していない。そのため、出射端面における、発光層によるレーザ光の吸収を制限するため、多重量子井戸構造の活性層を採用することが好ましい。加えて、この活性層中に閉じ込められるレーザ光の比率、すなわち、活性層の光閉じ込め効率Γが過度に高くならないように、リッジストライプ構造を採用する際、ｐ型光ガイド層（光閉じ込め層）／発光層／ｎ型光ガイド層（光閉じ込め層）の構成を採用することが望ましい。【００３６】
出射端面に窓構造を設ける構成を利用していないため、おける、発光層によるレーザ光の吸収よって生成する電子−正孔対は、酸化被膜と発光層との界面近傍に存在する非発光再結合準位を介して、非発光再結合を起こし、熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーへの変換比率は、界面近傍に存在する非発光再結合準位の面密度に比例するため、本発明では、界面近傍に存在する非発光再結合準位の面密度の増加を抑制することで、「ＣＯＤ破壊出力」の経時的な低下を抑制している。【００３７】
本発明では、出射端面に存在する非発光再結合準位の増加を抑制する手段として、ファブリペロ型III族窒化物半導体レーザにおいて、共振器端面を劈開により作製した後、光出射端面には、その劈開面に生成する酸化被膜を除去せず、この酸化被膜に接するように、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜が堆積されている端面保護膜を設ける構成を採用している。劈開面に生成する酸化被膜に接するように、堆積されるＧａを構成元素として含む誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２は、０．５質量％以上とすることが好ましい。【００３８】
劈開面に生成する酸化被膜は、III族窒化物を構成するIII族金属の酸化物で構成されているため、発光層が、Ｇａを構成元素として含むIII族窒化物、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎバリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である場合、酸化被膜中には、主要成分として、Ｇａの酸化物、副次的な成分として、Ｇａ以外のIII族金属の酸化物（Ｉｎの酸化物、Ａｌの酸化物）が含まれている。従って、酸化被膜中に含まれるＧａ濃度：Ｃ１は、III族窒化物中に含まれるＧａ濃度：Ｃ０に比例して、高い濃度となっている。その際、酸化被膜中に含まれるＧａと、III族窒化物中に含まれるＧａとは、その界面において、相互に平衡した状態となっている。仮に、酸化被膜中に含まれるＧａ濃度：Ｃ１が低下すると、その界面における平衡は破られ、III族窒化物から酸化被膜へとＧａが拡散して、再び、平衡が達成される。この過程では、III族窒化物から酸化被膜へとＧａが移行することに伴って、III族窒化物中では、その界面の近傍にＧａ空孔が生成される。【００３９】
酸化被膜上に、Ｇａを含まない誘電体膜を堆積すると、Ｇａを含まない誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２は、当初、０である。その際、酸化被膜とＧａを含まない誘電体膜との界面では、Ｇａに関して、平衡関係にないため、酸化被膜から、Ｇａを含まない誘電体膜へとＧａが拡散する。そして、酸化被膜と誘電体膜との界面において、界面近傍の酸化被膜中に存在するＧａと、界面近傍の誘電体膜中に存在するＧａの間で平衡が成立するまで、このＧａ拡散は継続する。この平衡に達した時点における、界面近傍の酸化被膜中に存在するＧａの濃度：Ｃ１’と、界面近傍の誘電体膜中に存在するＧａの濃度：Ｃ２’は、酸化被膜中におけるＧａの存在形態と、誘電体膜中におけるＧａの存在形態に依存する。従って、Ｃ１’＝Ｃ２’ではなく、その比率：Ｃ１’／Ｃ２’が、ある一定値となった時点で平衡状態となる。【００４０】
その際、この酸化被膜と誘電体膜との界面で生じる拡散は、温度が高くなると、その拡散速度は速くなる。従って、高出力動作する場合、素子温度は上昇するため、酸化被膜と誘電体膜との界面で生じる拡散が促進される。【００４１】
一方、酸化被膜から誘電体膜へとＧａの拡散が進行すると、しだいに酸化被膜と半導体との界面近傍においても、酸化被膜中に存在するＧａの濃度：Ｃ１が減少し、半導体から酸化被膜へとＧａの拡散が誘起される。半導体から酸化被膜へとＧａの拡散に伴って、界面近傍のIII族窒化物中に含まれるＧａ濃度の減少：ΔＣ０が起こり、Ｇａ空孔（ＶＧａ）が生成すると考えられる。【００４２】
本発明では、酸化被膜上に、Ｇａを含んでいる誘電体膜を堆積することによって、酸化被膜と半導体との界面近傍における、酸化被膜中のＧａ濃度：Ｃ１の低減：ΔＣ１を抑えることで、界面近傍におけるＧａ空孔（ＶＧａ）の濃度の増加を抑えている。【００４３】
下記の実施例に示すように、酸化被膜上に、Ｇａを含まない誘電体膜を堆積すると、半導体レーザを長時間に渡り連続的に駆動する間に、局所的に温度上昇している、酸化被膜と誘電体膜との界面でのＧａ拡散が進行し、酸化被膜とIII族窒化物との界面でも、酸化被膜中のＧａ濃度が有意に減少する。一方、酸化被膜上に、相当に高い濃度でＧａを含んでいる誘電体膜を堆積すると、半導体レーザを長時間に渡り連続的に駆動する間に、局所的に温度上昇している、酸化被膜と誘電体膜との界面でのＧａ拡散の進行は遅くなっている結果、酸化被膜とIII族窒化物との界面では、酸化被膜中のＧａ濃度は実質的に変化しない状態で留まる。この相違が、実施例１に記載するように、実験的にも検証されている。【００４４】
上記の現象は、誘電体膜の種類に依らず、一般的に生じる。少なくとも、誘電体膜の種類としては、下記の実施例に示すＡｌ２Ｏ３の他、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＴａＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの誘電体でも同様に生じる現象である。【００４５】
また、酸化被膜上に、堆積するＧａを含んでいる誘電体膜の膜厚は、界面を介して、酸化被膜から拡散してくるＧａによる濃度変化が見出される範囲δｗ２’に相当する厚さ以上であれば、さらに膜厚を増しても、その効果は、実質的に増強は起こらない。換言するならば、酸化被膜上に、堆積するＧａを含んでいる誘電体膜の膜厚は、上記の厚さδｗ２’に相当する厚さまで薄くしても、その効果は遜色の無いものとなる。すなわち、Ｇａを含んでいる誘電体膜中に含まれるＧａ濃度に依存するが、Ｇａ濃度が０．５質量％以上である場合、１０ｎｍ程度の厚さを選択することができる。【００４６】
すなわち、誘電体膜中におけるＧａの拡散に着目すると、劈開端面に接して、Ｇａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造とする場合、Ｇａを含有していない誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ３と、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度：Ｃ２の比率：Ｃ２／Ｃ３は、大きな値となる。そのため、両者の界面では、Ｇａを含有する誘電体膜からＧａを含有していない誘電体膜へのＧａの拡散が生じる。その際、Ｇａを含有する誘電体膜の膜厚が、一定の膜厚を超えると、Ｇａを含有していない誘電体膜へのＧａ拡散は、酸化被膜との界面付近の、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度に実質的に影響しない。従って、酸化被膜上に、接するように、所定の膜厚のＧａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造を採用することでも、酸化被膜から誘電体膜へのＧａ拡散の速度を格段に遅くすることが可能である。【００４７】
一方、元々、Ｇａを構成成分に含まない誘電体膜、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜中にＧａを含有させると、Ｇａの濃度が増すと、光吸収の増加が起こる。なお、このＧａの添加に起因する光吸収は、母材である誘電体中の構成元素をＧａが置換した際、置換される構成元素とＧａの化学的性質に差違が存在することによって、例えば、未結合手などの欠陥が発生することに起因する。あるいは、このＧａの添加に起因する光吸収は、置換される構成元素とＧａの電子状態に差違が存在することによって、例えば、Ｇａに局在する準位が形成され、この局在準位による吸収に起因する。このＧａの添加に起因する光吸収が生じると、吸収された光エネルギーは、その後、熱的エネルギーに変換され、局所的な温度上昇の要因の一つとなる。半導体と酸化被膜との界面における非発光再結合に起因する温度上昇要因に加えて、このＧａを含有する誘電体膜の利用に付随する、付加的な温度上昇要因が存在するため、ＣＯＤを引き起こす光出力レベル「ＣＯＤ破壊出力」が低下する。【００４８】
前記の機構による「ＣＯＤ破壊出力」の低下を軽減するためには、Ｇａを含有する誘電体膜で生じる光吸収量を抑制することが有効である。その際、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度を維持しつつ、Ｇａを含有する誘電体膜で生じる光吸収量を抑制する上では、酸化被膜上に、接するように、所定の膜厚のＧａを含有する誘電体膜を設け、その上層にＧａを含有していない誘電体膜を設ける二層構造を採用することが有効である。【００４９】
この二層構造を採用する際、Ｇａを含有する誘電体膜の膜厚は、３０ｎｍを超えない範囲に選択することが好ましい。通常、Ｇａ濃度が０．５質量％以上のＧａを含有する誘電体膜の膜厚は、２０ｎｍ以下に選択することがより望ましい。なお、Ｇａを含有することに由来する光吸収を考慮すると、Ｇａを含有する誘電体膜中のＧａ濃度は、０．５質量％以上、高くとも、１０質量％、より好ましくは、５質量％までの範囲に選択することが望ましい。
【実施例】
【００５０】
以下に、具体例を挙げて、本発明にかかる窒化物半導体レーザとその製造方法に関して、より詳しく説明する。下記の具体例に示すファブリペロ型の端面発光III族窒化物半導体レーザは、本発明の最良の実施形態の一例であるが、本発明は、かかる形態に限定されるものではない。【００５１】
（実施例１）
第一の実施例として、本発明にかかるリッジストライプ構造のIII族窒化物系半導体レーザの構造と、その作製工程を以下に説明する。図２を参照しつつ、本実施例のIII族窒化物系半導体レーザ素子の製造方法を、順次工程に従って説明する。【００５２】
基板として、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板を用いている。レーザ構造の作製に利用するエピキタキシャル膜の成長は、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を使用している。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用いている。III族有機金属原料である、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎソースとして、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Ｇａ（ＣＨ３）３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Ａｌ（ＣＨ３）３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Ｉｎ（ＣＨ３）３）を使用している。また、ｎ型ドーパントには、シラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパントには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を、それぞれ用いている。【００５３】
ｎ型ＧａＮ基板３０１を、減圧ＭＯＶＰＥ成長装置に投入後、ＮＨ３を供給しながら、基板を昇温する。基板温度が、成長温度までに達した時点で、III族有機金属原料蒸気をキャリアガスとともに、所定の供給速度で、基板上に供給して成長を開始する。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０２（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｓｉ濃度  ４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層３０３、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３０４、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ（Ｓｉ濃度１×１０１８ｃｍ−３、厚さ４ｎｍ）バリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．０１μｍ）からなるキャップ層３０６、ならびに、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３０７を、順次堆積する。【００５４】
引き続き、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層３０８を堆積する。その後、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０２μｍ）からなるコンタクト層３０９を堆積する。【００５５】
各層の成長条件は、下記の通りである。ＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃，ＴＭＧ供給量５８  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ３供給量０．３６  ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃，ＴＭＡ供給量３６  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＴＭＧ供給量５８  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ３供給量０．３６  ｍｏｌ／ｍｉｎにて行っている。ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ成長は、基板温度８００℃，ＴＭＧ供給量８  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ３  ０．３６  ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩｎ供給量は、井戸層で４８  μｍｏｌ／ｍｉｎ，バリア層で  ３  μｍｏｌ／ｍｉｎとすることで行っている。【００５６】
すなわち、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光閉じ込め層３０４、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光閉じ込め層３０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層３０９は、ドーパント種類と、ドーピング量の違いを除き、同じ成長条件を用いている。また、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層３０８は、ドーパント種類と、ドーピング量の違いを除き、同じ成長条件を用いている。なお、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層３０６の成長は、基板温度１０８０℃，ＴＭＡ供給量３６  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＴＭＧ供給量５８  μｍｏｌ／ｍｉｎ，ＮＨ３供給量０．３６  ｍｏｌ／ｍｉｎにて行っている。【００５７】
前記一連のエピタキシャル成長を終えると、全体として、図２（ａ）に示す多層構造を具えたエピタキシャル成長膜が形成される。この作製されたレーザウエハに、図２（ａ）〜（ｈ）に示す一連の工程を施すことによって、リッジ導波路、及び電極の形成がなされる。【００５８】
コンタクト層３０９の表面に、ＳｉＯ２３１０を形成する（図２（ｂ）を参照）。フォトリソグラフィーにより、図１に示すリッジ導波路形成領域に、幅１．３μｍのＳｉＯ２ストライプ３１１を形成する（図２（ｃ）を参照）。このＳｉＯ２ストライプ３１１を、エッチング・マスクとして、ドライエッチングにより、コンタクト層３０９ならびに、ｐクラッド層３０８を一部除去し、リッジ構造を形成する（図２（ｄ）を参照）。その結果、リッジ・ストライプ構造部分には、ｐ型クラッド層３０８が、幅１．３μｍ、厚さ０．５μｍでストライプ状に残されている。一方、その両側に残される、ｐ型クラッド層３０８の膜厚は、０．１μｍとなっている。【００５９】
引き続き、ＳｉＯ２マスク２１１を除去し、新たに、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ２３１２を基板ウエハ全面に堆積する。次に、レジスト３１３を厚く塗布し、膜厚１．５μｍのレジスト３１３でＳｉＯ２３１２表面を被覆し、平坦化する（図２（ｅ）を参照）。酸素プラズマ中で、レジスト３１３をエッチバックすることによって、リッジトップを被覆するＳｉＯ２３１２を露出させる（図２（ｆ）を参照）。その際、リッジ・ストライプ部の両側には、エッチバック後、レジスト３１３が、膜厚０．５μｍで残余している。【００６０】
リッジトップのＳｉＯ２をバッファードフッ酸で除去し、コンタクト層３０９を露呈させる。その後、膜厚０．１μｍのＰｄ，膜厚０．１μｍのＰｔを電子ビーム蒸着法で蒸着し、Ｐｄ／Ｐｔ３１４を全面に堆積する。次いで、有機溶剤を用いて、レジスト３１３を除去する。その際、リフトオフにより、リッジトップのコンタクト層３０９上にｐコンタクトが形成される（図２（ｇ）を参照）。【００６１】
次に、窒素雰囲気中、６００℃で３０秒のＲＴＡを行い、ｐオーミック電極を形成する。この後、５０ｎｍのＴｉ、１００ｎｍのＰｔ、２μｍのＡｕをスパッタにより堆積し、カバー電極３１５とする（図２（ｈ）を参照）。【００６２】
前記ｐ電極の作製工程の後、ウエハの裏面研磨を行い、１００μｍ厚まで薄膜化する。裏面研磨後、Ｔｉ  ５ｎｍ、Ａｌ  ２０ｎｍ、Ｔｉ  １０ｎｍ、Ａｕ  ５００ｎｍをこの順で真空蒸着し、ｎ電極を形成する。ｎ電極形成後、ストライプに垂直な方向に劈開し、共振器長６００μｍのレーザバーとする。【００６３】
劈開後、電子ビーム蒸着装置に導入し、このレーザバーの出射端面（前方側端面）に、後述のＡＲ（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングを施す。電子ビーム蒸着装置から取り出した後、スパッタ装置に導入し、反対側の端面（後方側端面）に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２誘電体多層膜からなる、反射率Ｒｒ＝９５％のＨＲ（Ｈｉｇｈ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングを施す。その後、素子分離を行い、素子長は６００  μｍのレーザチップを作製する。以上の工程を、「レーザチップ作製工程」と記す。【００６４】
ＡＲコーティング材料には、厚さ４０ｎｍのＡｌ２Ｏ３単層膜を用いている。蒸着源に、高純度Ａｌ２Ｏ３とＧｄ３Ｇａ５Ｏ１２を用い、Ａｌ２Ｏ３膜中Ｇａのドーピングを行っている。蒸着源中に添加するＧｄ３Ｇａ５Ｏ１２の量と、蒸着速度を調整することにより、Ａｌ２Ｏ３膜中にドープされるＧａの比率を変化させている。Ａｌ２Ｏ３膜中Ｇａのドーピング濃度は、堆積された膜のＳＩＭＳ測定により決定した。【００６５】
なお、ドーピングされているＧａ濃度が１０質量％以下の範囲では、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜を用いるＡＲコーティングの反射率：Ｒｆは、Ｇａを含まないＡｌ２Ｏ３単層膜を用いる際の反射率：Ｒｆ＝１５％と同じであった。【００６６】
上記の工程により作製されるレーザチップを、ヒートシンク上に融着し、評価素子とした。典型的なレーザ初期特性は、Ｒｆ＝１５％、Ｒｒ＝９５％である場合、発振閾電流密度３．２  ｋＡ／ｃｍ２、閾電圧４．０  Ｖであった。【００６７】
Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度が、０．１質量％〜１０質量％の計７種について、下記の条件で信頼性試験を行い、素子寿命の評価を行った。なお、ＧａがドーピングされていないＡｌ２Ｏ３単層膜を用いているレーザチップに関しても、同じ条件で、素子寿命の評価を行った。雰囲気温度６０℃、連続発振、レーザ光出力Ｐｏｕｔ＝６０ｍＷの定出力動作条件において、ＣＯＤにより破壊した時点を素子寿命とした。【００６８】
図３は、ＡＲ膜に用いる、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜中のＧａ濃度と、素子寿命の関係を示す図である。図３の結果から、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度が、０．１質量％、０．２質量％では、ＣＯＤ発生に至るまでの平均素子寿命は、２０００時間以下である。一方、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度が、０．５質量％以上、１０質量％以下の範囲では、ＣＯＤ発生に至るまでの平均素子寿命は、何れも３０００時間を超えていた。すなわち、延べ３０００時間の連続駆動試験では、平均素子寿命の確度の高い推定に十分な比率（頻度割合）のＣＯＤ発生が見出されていない。その乏しいＣＯＤ発生データから、便宜的に見積もられる平均素子寿命を、３０００時間として、図３中に表記している。【００６９】
図３に示す結果に基づき、ＣＯＤ発生に至るまでの平均素子寿命が３０００時間を超える閾レベルを推定すると、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度が０．５質量％と推定される。すなわち、ＡＲ膜に用いる、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にＧａをドーピングすると、ＣＯＤ発生を抑制する効果があること、特に、このＣＯＤ発生を抑制する効果は、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度が０．５質量％以上の範囲に顕著であることが実証されている。【００７０】
Ａｌ２Ｏ３単層膜中にＧａをドーピングすることに付随する、ＣＯＤ発生の抑制の機構を解明するため下記の試験をおこなった。上記７種のレーザチップを、雰囲気温度８０℃、連続発振、レーザ光出力Ｐｏｕｔ＝１００ｍＷの定出力動作条件において、１００時間通電した。その際、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａ濃度：Ｃ２が、１０質量％のレーザチップでは、ＣＯＤによる素子破壊が生じた。これはＧａドープによりＡＲ膜の吸収が増加し、高出力動作時に端面温度が上昇、ＣＯＤ破壊が誘起されたものと推察される。【００７１】
また、連続動作した後、断面ＴＥＭにより、ＡＲ端面近傍を観察した。その観察結果では、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜中のＧａ濃度が２％であるレーザチップでは、前記の連続駆動後でも、ＡＲ膜と半導体劈開面の間にＧａ２Ｏ３層が存在している。一方、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜中のＧａ濃度が０．１％であるレーザチップでは、前記の連続駆動後、ＡＲ膜と半導体劈開面の間にＧａ２Ｏ３層は観察されなかった。すなわち、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜中のＧａ濃度が０．１％であるレーザチップでは、作製当初は、ＡＲ膜と半導体劈開面の間には、半導体劈開面の酸化に因る極薄いＧａの酸化物層が存在しているが、連続駆動後には、Ｇａの酸化物層は消滅したと判断される。【００７２】
以上の結果を総合的に検討すると、ＡＲ膜に用いる、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３単層膜中のＧａ濃度を０．５質量％以上の選択することで、ＡＲ膜と半導体劈開面の間に、半導体劈開面の酸化に因る極薄いＧａ２Ｏ３層が消滅せず、長期間存在する状態とできる。また、レーザ光出力Ｐｏｕｔ＝１００ｍＷのような、高出力条件で連続駆動する際にも、界面の該Ｇａ２Ｏ３層の消滅には至らず、半導体側からＡｌ２Ｏ３単層膜へのＧａの拡散を抑制する。その結果、界面近傍の半導体側における、Ｇａ空孔の生成が抑制され、すなわち、非発光再結合中心濃度の増加を抑制することが可能となる。【００７３】
一方、Ａｌ２Ｏ３単層膜中にドーピングされているＧａに起因する、膜内の光吸収に伴う温度上昇の影響は、Ｇａ濃度：Ｃ２を、１０質量％未満、好ましくは、５質量％以下に選択することで、例えば、周辺温度８０℃、レーザ光出力Ｐｏｕｔ＝１００ｍＷのような、高出力条件で連続駆動する際にも、端面の温度がＣＯＤを誘起する温度に達しない範囲に抑制できる。【００７４】
（実施例２）
第二の実施例として、本発明にかかるリッジストライプ構造のIII族窒化物系半導体レーザにおいて、その出射端面（前方側端面）に設けるＡＲコーティングとして、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜と、ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜からなる二層構造の端面保護膜を設ける構成を説明する。【００７５】
この第二の実施例では、出射端面（前方側端面）に設けるＡＲコーティングとして、劈開端面に接して、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜を、その上層に、ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜が積層される二層構造を用いている。ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜中のＧａ濃度は５質量％とし、その膜厚ｄ１は、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍの４種類でとしている。一方、上層のＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｄ２は、（４０−ｄ１）ｎｍに選択している。なお、二層構造を用いる場合、出射端面（前方側端面）の反射率Ｒｆは、ｄ１に依らず１５％であった。一方、反対側の端面（後方側端面）に、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２誘電体多層膜からなる、反射率Ｒｒ＝９５％のＨＲコーティングを施す。【００７６】
第一の実施例１に記載する「レーザチップ作製工程」に従って、上記の二層構造の端面保護膜を設ける、素子長は６００  μｍのレーザチップ４種を作製する。さらに、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｄ１が０ｎｍ、すなわち、ＡＲコーティングとして、膜厚４０ｎｍのＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜を利用する、素子長は６００  μｍのレーザチップを作製する。【００７７】
作製される合計５種のレーザチップについて、上記実施例１に記載する条件、雰囲気温度６０℃、連続発振、レーザ光出力Ｐｏｕｔ＝６０ｍＷの定出力動作条件において、素子寿命の評価を行った。ＡＲコーティングとして、膜厚４０ｎｍのＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜を利用する場合（ｄ１＝０ｎｍ）、ＣＯＤ破壊は発生するまでの平均素子寿命は、４００時間である。一方、ＡＲコーティングとして、前記の二層構造を用いている場合（ｄ１＝１０ｎｍ〜４０ｎｍ）は、連続３０００時間の定出力動作の間に、ＣＯＤ破壊の発生は見出だされなかった。【００７８】
さらに、作製される合計５種のレーザチップについて、初期ＣＯＤ破壊出力を評価した。「初期ＣＯＤ破壊出力」は、未通電レーザ素子に電流を通電し、高い光出力動作を行わった際、初期ＣＯＤ破壊を起こした光出力レベルとしている。すなわち、未通電レーザ素子に電流を通電し、動作時の光出力Ｐｏｕｔを徐々に上昇させ、ＣＯＤ破壊を起こした光出力レベルを決定する。【００７９】
図４に、測定された「初期ＣＯＤ破壊出力」の「ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜の膜厚」に対する依存性を示す。ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｄ２＝（４０−ｄ１）ｎｍが、４０ｎｍである、すなわち、ＡＲコーティングとして、膜厚４０ｎｍのＧａがドープされているＡｌ２Ｏ３膜を利用する場合、測定された「初期ＣＯＤ破壊出力」は、２００ｍＷである。ＧａがドープされているＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｄ１が３０ｎｍ以下（ｄ２＝１０ｎｍ〜４０ｎｍ）の範囲では、４００ｍＷ以上に向上している。特に、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜の膜厚ｄ１が２０ｎｍ以下の範囲では、測定された「初期ＣＯＤ破壊出力」は、５００ｍＷに達している。【００８０】
ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜は、ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜と比較して、半導体レーザの発振波長λ（例えば、λ＝４０５ｎｍ）において、有意に高い光吸収を示す。従って、このＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜において、吸収した光は熱エネルギーに変換され、出射端面（前方側端面）において発生する熱源の一つとなる。この付加的な熱源は、出射端面（前方側端面）における局所的な温度上昇による光学的バンドギャップが減少し、端面近傍での光吸収量の増大を促進する要因の一つとなる。また、出射端面（前方側端面）から出射される光出力を低下させる。この二つの機構によって、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜による光吸収は、「初期ＣＯＤ破壊出力」を低下させる。【００８１】
ＡＲ膜として所定の反射率を実現するためには、その膜厚は膜の構造や屈折率などから設計される厚さに調整される必要がある。出射端面（前方側端面）に設けるＡＲコーティングとして、劈開端面に接して、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜を、その上層に、ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜が積層される二層構造を採用することで、ＡＲ膜としての機能を維持しつつＧａドープ層の厚さを薄くすることができる。これによりＧａ拡散に起因する経時的な劣化を抑制し、かつ、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜自体の光吸収に起因する「初期ＣＯＤ破壊出力」の低下を軽減することが可能になる。【００８２】
上記の第二の実施例では、劈開端面に接して、ＧａがドープされたＡｌ２Ｏ３膜を、その上層に、ＧａがドープされていないＡｌ２Ｏ３膜が積層される二層構造を採用する事例を用いて、経時的な劣化を抑制し、かつ「初期ＣＯＤ破壊出力」の低下を軽減する効果を査証している。なお、ＡＲ膜に利用する誘電体膜中にＧａをドープする際、光吸収が増大する現象は、ドープされたＧａは誘電体の結晶格子中に置換され、Ｇａ原子の電子状態に起因する局在準位が生成され、その局在準位が関与する光吸収に因っている。従って、ドープされたＧａに起因する光吸収は、Ａｌ２Ｏ３に特有の現象ではなく、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＴａＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの誘電体に共通する現象である。また、ＡＲ膜に利用する誘電体膜中にＧａをドープすることで、半導体劈開面の酸化に因る極薄いＧａ２Ｏ３層が、誘電体膜へのＧａ拡散源として、機能する結果、消失する現象を回避できる点は、Ａｌ２Ｏ３に特有の現象ではなく、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＴａＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの誘電体に共通する現象である。【００８３】
特に、二層構造を採用することで、Ｇａがドープされた誘電体膜における光吸収に起因する温度上昇を緩和させる効果は、Ａｌ２Ｏ３に特有な効果ではなく、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＴａＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの誘電体に共通する効果である。また、上層に用いるＧａがドープされていない誘電体膜が、下層のＧａがドープされた誘電体膜の母材と異なる場合にも、温度上昇を緩和させる効果は、比熱の差違を別にすれば、本質的な差違はない。例えば、出射端面（前方側端面）における反射率Ｒｆを調整する目的で、上層に用いるＧａがドープされていない誘電体膜が、下層のＧａがドープされた誘電体膜の母材と異なる組み合わせを選択する際にも、温度上昇を緩和させる効果に関しては、本質的な差違はない。【００８４】
すなわち、これら誘電体膜中にＧａをドープし、Ｇａ濃度が閾レベルを超すと、ＡＲ膜と半導体劈開面の間に、半導体自体の酸化被膜に起因するＧａ２Ｏ３層が存在する状態とできる。この界面に存在するＧａ２Ｏ３層は、半導体側から誘電体膜へのＧａの拡散を抑制する機能を有するため、前記Ｇａ拡散に付随し、半導体劈開近傍に、Ｇａ空孔が生成することに起因する、経時的なＣＯＤレベルの劣化を回避する手段となる。また、半導体劈開面上に誘電体膜を堆積する際にも、半導体側から誘電体膜へのＧａの拡散は生じるが、予め、Ｇａがドープされた誘電体膜を堆積することにより、その拡散は抑制できる。すなわち、半導体劈開面上に誘電体膜を堆積する際に、半導体劈開近傍に生成されるＧａ空孔の面密度が低く抑えられる。また、Ｇａがドープされている誘電体膜の膜厚を必要最小限とすることで、「初期ＣＯＤ破壊出力」の低下を最小限にすることが可能になる。【００８５】
なお、上記の実施例においては、半導体劈開面上にＧａがドープされた誘電体膜を堆積する手段として、電子線蒸着法を利用しているが、他の堆積方法を利用する際、Ｇａがドープされた誘電体膜と半導体劈開面の間に、同程度の膜厚のＧａ２Ｏ３層が形成される限り、本質的に同等の効果が達成できる。なお、上記の実施例は、リッジストライプ構造のIII族窒化物系半導体レーザに適用した形態であるが、活性層が、III族元素中、Ｇａが主要な構成要素である場合には、他の構造を採用する、ファブリペロ型の端面発光III族窒化物半導体レーザにおいても、同様の効果を発揮する。【００８６】
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００８７】
この出願は、２００７年１月３０日に出願された日本出願特願２００７−  １９０７０を基礎とする優先権を主張し、参照によって、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザは、大容量の書き込み型の光ディスクにおける、書き込み速度の高速化、大容量化に適合する、例えば、１００ｍＷを超える高出力半導体レーザ光源に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月30日(2008.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一の導電型の半導体層と、発光層と、第二の導電型の半導体層がこの順に積層されており、前記発光層は、少なくともＧａを構成元素として含むＩＩＩ族窒化物で構成されているＩＩＩ族窒化物半導体レーザであって、
該ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの光出射端面に、少なくとも発光層の光出射端面と接して、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜を含んでなる端面保護膜が被覆されている
ことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記端面保護膜は、Ｇａを構成元素として含む誘電体膜からなる第一の層と、Ｇａを構成元素として含まない誘電体膜からなる第二の層の少なくとも二層からなる
ことを特徴とする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
【請求項３】
Ｇａを構成元素として含む誘電体膜中のＧａ濃度は、高くとも、１０質量％までの範囲である
ことを特徴とする、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
Ｇａを構成元素として含む誘電体膜中のＧａ濃度は、０．５質量％以上である
ことを特徴とする、請求項１−３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
【国際調査報告】
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2008093703.tif 000008
2008093703.tif 000009
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