(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体よりなる活性層と、電流阻止層と、前記活性層及び前記電流阻止層に挟まれた窒化ガリウム系半導体層とを備えるとともに、
前記活性層の幅よりも狭い幅のストライプ領域が形成され、
前記ストライプ領域の幅が、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であり、
前記活性層と前記電流阻止層とに挟まれ、前記ストライプ領域外の領域での窒化ガリウム系半導体層の層厚が０．０１μｍ以上、０．８μｍ以下であり、
前記ストライプ領域外の領域での窒化ガリウム系半導体層は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２）もしくはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２）にＩｎをＩＩＩ族原子の組成比として１０％以下の範囲で添加した窒化ガリウム系半導体からなるガイド層、
または、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）もしくはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）にＩｎをＩＩＩ族原子の組成比として１０％以下の範囲で添加した窒化ガリウム系半導体からなるクラッド層の、少なくともいずれかを含み、
前記ストライプ領域の外側に前記活性層が３μｍ以上の幅を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層が、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸構造活性層からなり、前記量子井戸層の層数が２以上４以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層を形成する量子井戸層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記活性層を形成する障壁層の厚さが、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層が形成される基板を備え、該基板がＧａＮ基板もしくはＳｉ基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記電流阻止層がＳｉＯ2からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディクスシステムの光源に用いられる窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は、例えば、ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．２（１９９７）５に記載されており、その断面図を図１１に示す。図１１において、２０１はサファイア基板、２０２はＧａＮバッファ層、２０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、２０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２０５はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２０６はｎ−ＧａＮガイド層、２０７はＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２０９はｐ−ＧａＮガイド層、２１０はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、２１２はｐ側電極、２１３はｎ側電極である。ここで、多重量子井戸構造活性層２０７は、３．５ｎｍ厚のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層が４層、７ｎｍ厚のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層が３層、の合計７層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。この従来例では注入電流を狭窄するためにｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層２１０とｐ−ＧａＮコンタクト層２１１はリッジストライプ状に形成されており、このストライプの幅は４μｍである。この他、特開平９−２３２６８０号公報にも同様に窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子が記載されているが、この従来例においても注入電流を狭窄するためにリッジストライプ状構造が形成されており、ストライプの幅は５μｍから１０μｍである。
【０００３】
一方、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いる場合、データの読み出し時における雑音によるデータの読み出しエラーを防止するために、一定電流を注入しても光出力が変調されている自励発振型の半導体レーザが用いられており、このような半導体レーザ素子は特開平９ー１９１１６０号公報に記載されている。その断面図を図１２に示す。図１２において、２２１はｎ−ＳｉＣ基板、２２２はｎ−ＡｌＮバッファ層、２２３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層、２２４は厚さ５０ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ活性層、２２５はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１ｐ型クラッド層、２２６はｐ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ可飽和吸収層、２２７はｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流ブロック層、２２８はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２ｐ型クラッド層、２２９はｐ−ＧａＮキャップ層、２３０はｐ−ＧａＮコンタクト層、２３１はｐ側電極、２３２はｎ側電極ある。この従来例においては、活性層２２４で発生した光の一部が可飽和吸収層２２６で吸収されることによって可飽和吸収層２２６の吸収係数が変化し、それに伴って活性層２２４からのレーザ発振による発光強度が周期的に変化する。その結果、レーザからの出射光の干渉性が低下する。このように干渉性が低下した半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いると、ディスクでの反射光が半導体レーザに戻ってきても、レーザからの出射光と反射による戻り光が干渉を起こさないため雑音の発生が抑えられ、データの読み出しエラーを防止できる。この従来例においても注入電流を狭窄するストライプ構造が用いられており、このストライプの幅は２μｍで作製されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は以下のような問題点があった。
まず、可飽和吸収層を付加した自励発振型の半導体レーザ素子に関しては、この可飽和吸収層で活性層から発生する光が吸収されるため、レーザ共振器内部での光の損失が増大してしまう。その結果、半導体レーザ素子の発振閾値電流が増大するとともに、発光効率が低下してしまうという問題があった。さらにこの従来の自励発振型半導体レーザ素子では、活性層を挟むクラッド層の一方にのみ可飽和吸収層を付加しているか、あるいは、活性層を挟むガイド層の一方にのみ可飽和吸収層を付加しているため、レーザからの出射光の遠視野像が対称でなくなり、レンズを用いて出射光を集光する場合に、集光スポットサイズを十分に小さく出来ない、という問題も生じていた。
【０００５】
一方、可飽和吸収層が付加されていない従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子においては、従来の自励発振型半導体レーザ素子に見られるような、発振閾値電流の増大、発光効率の低下、集光スポットサイズを小さく出来ない、という問題は発生しないが、この半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いると、ディスクからの戻り光によって雑音が発生し、データの読み出し時に読み出しエラーを生じていた。従って、可飽和吸収層が付加されていない従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来ない、という問題があった。
【０００６】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体レーザ素子における課題を解決して、光ディスクシステムの光源としての使用が可能な、良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、以下の発明から構成される。
【０００８】
本願発明は、窒化物半導体よりなる活性層と、電流阻止層と、前記活性層及び前記電流阻止層に挟まれた窒化ガリウム系半導体層とを備えるとともに、
前記活性層の幅よりも狭い幅のストライプ領域が形成され、
前記ストライプ領域の幅が、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であり、
前記活性層と前記電流阻止層とに挟まれ、前記ストライプ領域外の領域での窒化ガリウム系半導体層の層厚が０．０１μｍ以上、０．８μｍ以下であり、
前記ストライプ領域外の領域での窒化ガリウム系半導体層は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２）もしくはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２）にＩｎをＩＩＩ族原子の組成比として１０％以下の範囲で添加した窒化ガリウム系半導体からなるガイド層、
または、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）もしくはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）にＩｎをＩＩＩ族原子の組成比として１０％以下の範囲で添加した窒化ガリウム系半導体からなるクラッド層の、少なくともいずれかを含み、
前記ストライプ領域の外側に前記活性層が３μｍ以上の幅を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【０００９】
また、本願発明は、前記活性層が、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸構造活性層からなり、量子井戸層の層数が２以上４以下であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１０】
また、本願発明は、前記活性層を形成する量子井戸層の厚さが、１０ｎｍ以下であることを特徴とする記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１１】
また、本願発明は、前記活性層を形成する障壁層の厚さが、１０ｎｍ以下であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１２】
また、本願発明は、前記活性層が形成される基板を備え、該基板がＧａＮ基板もしくはＳｉ基板であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１３】
また、本願発明は、前記電流阻止層がＳｉＯ2からなることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
このような発明を見い出すにあたって、本発明者は従来素子における前記課題解決のために詳細に検討を行い、その結果、従来の自励発振型の半導体レーザ素子で用いられている可飽和吸収層を用いることなく、簡単な構成で自励発振型の半導体レーザ素子が得られることを見い出した。
【００２３】
すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、窒化物半導体よりなる活性層を備え、前記活性層の幅よりも狭い幅のストライプ領域に電流が注入される窒化ガリウム系半導体レーザ素子であって、電流注入されるストライプ領域の幅が、０．２μｍ以上１．８μｍ以下である。このように電流注入されるストライプ領域の幅を、従来の窒化ガリウム系半導体レーザで用いられていたストライプ領域の幅よりも狭くした場合の半導体レーザ素子の断面図を図８に示す。この場合、ストライプ領域の幅が狭いことにより、レーザ光の横モードは電流注入されるストライプ領域の幅よりも広くなっている。この時、ストライプ領域外でレーザ光が広がっている領域に存在する活性層はこのレーザ光を吸収することができる。従って電流注入されるストライプ領域外の活性層が可飽和吸収層として働くため自励発振特性が得られた。電流注入されるストライプ領域の幅が従来の窒化ガリウム系半導体レーザのように広い場合は、ストライプ領域外でレーザ光が広がっている領域が小さいため可飽和吸収層として働く活性層の効果は小さく、自励発振特性は得られていなかった。
【００２４】
従って本発明では、電流注入されるストライプ領域外の活性層においてレーザ光が吸収されるため発振閾値電流密度の若干の増大を引き起こしているが、電流注入されるストライプ領域の幅を狭くしていることにより発振閾値電流値自体は増大することなく、良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られている。図９には、窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、電流注入されるストライプ領域の幅を変化させたときの、発振閾値電流値の変化を表すグラフ図が示されている。この図中ではストライプ領域の幅が２μｍ以上になると自励発振特性は得られておらず、電流注入領域の増大により発振閾値電流値も増大している。また、ストライプ領域の幅が０．２μｍ以下になると発振閾値電流密度の増大が大きくなるため発振閾値電流値自体も増大している。従って、電流注入されるストライプ領域の幅を、０．２μｍ以上１．８μｍ以下とすることによって、自励発振特性が得られ、かつ、発振閾値電流値が低い良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られることが分かる。
【００２５】
このように電流注入されるストライプ領域外の活性層が可飽和吸収層として働くためには、電流注入されるストライプ領域の外側に活性層が少なくとも３μｍ以上の幅で存在することが好ましい。ストライプ領域の外側の活性層の幅が３μｍ未満の場合は、可飽和吸収層として働く活性層の効果が小さく、自励発振特性は得られない。
【００２６】
また、本発明のように電流注入されるストライプ領域の幅を狭くする場合、砒素化ガリウム系半導体材料（ＡｌＧａＡｓ）や燐化インジウム系半導体材料（ＩｎＧａＡｓＰ）の場合は、注入された電流がストライプ領域外へ広がってしまい、ストライプの幅よりも広い領域に電流が注入されてしまうので閾値電流が増大することが懸念されているが、窒化ガリウム系半導体材料では電気抵抗値が大きいため、電流広がりはほとんど生じていないので閾値電流が小さくなり、且つ、電流注入の幅でレーザ光の横モードも安定することが判明した。
【００２７】
さらに、窒化ガリウム系半導体層の場合には、ストライプ幅を小さくしても電流広がりが少ないので電流注入されるストライプ領域の外側の活性層と電流阻止層とに挟まれた窒化ガリウム系半導体層の層厚を比較的厚くすることができるので、電流注入されるストライプ領域の外側の活性層と電流阻止層とに挟まれた窒化ガリウム系半導体層の層厚の精密な制御は必要なく、生産歩留まりを向上させることができる。しかしながら、電流注入されるストライプ領域の外側の活性層と電流阻止層とに挟まれた窒化ガリウム系半導体層の層厚が厚過ぎる場合は、電気抵抗値が大きい窒化ガリウム系半導体材料でもストライプ領域外への電流広がりが増大し、自励発振特性が得られなくなる。図１０には、実施形態１の窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、電流注入されるストライプ領域の外側の活性層と電流阻止層とに挟まれた窒化ガリウム系半導体層の層厚を変化させたときの、発振閾値電流値の変化を表すグラフ図が示されている。この図中では、電流注入されるストライプ領域の幅が、１．５μｍと０．５μｍの場合について示されているが、いずれも窒化ガリウム系半導体層厚（ここではｐ−ＧａＮガイド層８とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９の合計層厚）が０．８μｍより厚いと電流広がりが生じて発振閾値電流値が増大している。また、窒化ガリウム系半導体層厚が０．０１μｍより薄いと電流阻止層が機能しなくなってリーク電流が増大し、発振閾値電流値が増大している。さらに、この活性層と電流阻止層とに挟まれた窒化ガリウム系半導体層厚が０．０１μｍ以上０．８μｍ以下では、自励発振することも確認された。つまり、この窒化ガリウム系半導体層の層厚を０．８μｍ以下と薄くすることにより電流広がりは抑えられ、安定して自励発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。またこの窒化ガリウム系半導体層の層厚が０．０１μｍ以上であれば、活性層と電流阻止層とが空間的に離れているので、それぞれの本来の機能をもたせることができ、自励発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られる。
【００２８】
なお、図１０では、ガイド層にＧａＮ、クラッド層にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎをそれぞれ用いた場合の例を示したが、ガイド層はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２）、クラッド層はＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．３）の範囲で、ｘ≦ｙとなるように、複数の素子（例えば、ｘ＝ｙ＝０．１や、ｘ＝０、ｙ＝０．３や、ｘ＝０．０５、ｙ＝０．２）を作製したが、いずれも、図１０に示す関係とほぼ同等の特性を示し、これらの材料の範囲内であれば、活性層と電流阻止層に挟まれた窒化ガリウム系半導体層厚を０．０１μｍ〜０．８μｍの範囲内にすることにより、発振閾値電流値を低減でき、かつ自励発振による低雑音特性を満足させられることが分かった。さらに、ガイド層やクラッド層にＩｎをＩＩＩ族原子の組成比として１０％程度以下の範囲で添加した場合でも、同様の層厚の範囲で低発振閾値電流が実現されることも確認した。
【００２９】
また、本発明のような自励発振型の半導体レーザを得るためには、活性層内に存在する電子と正孔の密度が高速で変調される必要があるが、活性層として用いられる窒化ガリウム系半導体材料は、電子・正孔ともにその有効質量が大きいことと多数の結晶欠陥が存在していることにより電子や正孔の移動度が大幅に低下している。従って、発光再結合によって電子・正孔が消滅しても、拡散により新たに電子と正孔が注入されず、電子と正孔の密度が変調されにくくなっている。そこで、本発明のように、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の活性層を、単一量子井戸層、あるいは、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸構造活性層からなり量子井戸層の層数が２以上４以下である多重量子井戸構造で構成し、さらには、活性層を形成する量子井戸層の厚さを１０ｎｍ以下とすることにより、活性層全体で電子と正孔を拡散しやすくして、電子と正孔の密度が変調されやすくなった。この結果、安定して自励発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。また、多重量子井戸構造で構成された活性層の場合、活性層を形成する障壁層の厚さが厚すぎると、電子と正孔が活性層の全体にわたって、均一に分布することが阻害されるために、電子と正孔とが再結合しにくくなってしまう。この結果、自励発振特性のレーザ特性が悪化してしまうことになるが、障壁層の厚さを１０ｎｍ以下とすれば正孔と電子とは活性層内で均一に分布することになり、良好な自励発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザが得られた。
【００３０】
さらに、窒化ガリウム系半導体レーザでは砒素化ガリウム系半導体材料（ＡｌＧａＡｓ）や燐化インジウム系半導体材料（ＩｎＧａＡｓＰ）を用いた場合の半導体レーザと違って、電流注入されるストライプ領域内に多数の欠陥が存在しているが、本発明のようにストライプ領域の幅を狭くしたことによりこの領域内に存在する欠陥の個数が低減されて、レーザ特性の劣化が生じず、素子の信頼性が向上するという利点も得られた。
【００３１】
以下、具体例に従ってさらに詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２はＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１１はｐ側電極、１２はｎ側電極、１３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００３２】
本発明において、サファイア基板１の表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わない。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板も用いることが出来る。特にＧａＮ基板とＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて基板上に積層した窒化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の膜が得られ、さらに劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点がある。バッファ層２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００３３】
ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層９は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００３４】
ガイド層５と８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４、９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。また、必ずしもガイド層を必要とする訳ではなく、ガイド層を有しないような窒化ガリウム系半導体レーザであっても半導体レーザ素子として機能する。
【００３５】
多重量子井戸構造活性層６を構成する２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。
【００３６】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を形成しているが、これは量子井戸層が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層を保護するものであれば蒸発防止層７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層７を形成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特に蒸発防止層７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００３７】
次に、図１を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００３８】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００３９】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。さらに続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長する。
【００４０】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１５ｎｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。
【００４１】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００４２】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４３】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする。この時、ストライプ状のリッジ構造は、２００μｍ幅のメサ構造の両端より３μｍ以上離しておけばよく、本実施例ではｎ側電極１２を形成する側のメサ構造の端より１０μｍ離れたところにストライプ状のリッジ構造を形成した。このようにｎ側電極１２に近付けるようにストライプ状のリッジ構造を配置すれば、素子の電気抵抗が小さくなり、動作電圧が低減される。また、このドライエッチングの際には、多重量子井戸構造活性層６に達しないようにエッチングを停止しているので、活性層へのエッチングダメージが抑えられており、信頼性の低下や、発振閾値電流値の増大が防がれている。またストライプ領域外でエッチングされずに残ったｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９の層厚は、本実施例では０．３μｍとしており、ｐ−ＧａＮガイド層８とあわせても０．８μｍよりも薄いので電流広がりも抑えられている。
【００４４】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１３を電流阻止層として形成する。このＳｉＯ2絶縁膜１３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００４５】
その後、このウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００４６】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流２０ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００４７】
本実施例では、電流注入されるストライプ領域の幅を１．５μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【００４８】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層と障壁層の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層と障壁層の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量子井戸構造活性層６の量子井戸層数は３層や４層でもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【００４９】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００５０】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１２を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はなく、電流注入されるストライプ状のリッジ構造は、半導体レーザ素子チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００５１】
（第２の実施例）
図２は本発明の第２の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、２１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２２はＧａＮバッファ層、２３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２５はｎ−ＧａＮガイド層、２６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２７はｐ−ＧａＮガイド層、２８はｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層、２９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、３０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３１はｐ側電極、３２はｎ側電極、３３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５２】
本実施例では、多重量子井戸構造活性層２６の最上面にＩｎ組成の少ないＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層を形成しているためＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層が積層されていない点と、ｐ−ＧａＮガイド層２７の上にｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層２８が積層されている点以外は、第１の実施例と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製している。
【００５３】
次に、図２を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００５４】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板２１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２２を３５ｎｍ成長させる。
【００５５】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層２４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層２５を成長する。
【００５６】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）２６を作成する。
【００５７】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層２７を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇ、及びＴＭＩを原料に用いて、厚さ０．０２μｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層（厚さ１０ｎｍ）２８を作成する。
【００５８】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇ、及びＴＭＡを原料に用いて、厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００５９】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００６０】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２９をエッチングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層２８に達すると、エッチング表面にＩｎ原子が現れるため、このＩｎ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。またストライプ状のリッジ構造は、ｎ側電極３２を形成する側のメサ構造の端より１０μｍ離れたところに形成した。
【００６１】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜３３を電流阻止層として形成する。このＳｉＯ2絶縁膜３３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００６２】
その後、このウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００６３】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、第１の実施例と同様に、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流２０ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。また、エッチング停止層を用いたことによりエッチング深さの制御性が向上し、作製ロット間での特性のばらつきが低減された。
【００６４】
本実施例では、電流注入されるストライプ領域の幅を１．５μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【００６５】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層２６を構成する量子井戸層と障壁層の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層と障壁層の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量子井戸構造活性層２６の量子井戸層数は３層や４層でもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【００６６】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００６７】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２３の表面にｎ側電極３２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極３２を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はなく、電流注入されるストライプ状のリッジ構造は、半導体レーザ素子チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００６８】
また、本実施例では、ｐ−ＧａＮガイド層２７の上にｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層２８を積層したが、ｐ−ＧａＮガイド層２７の内部やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２９の内部にｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層２８を形成しても構わない。さらに、ｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層２８のＩｎ組成も本実施例にこだわらず、エッチングの深さを判断できるものであれば他の半導体材料でも構わない。
【００６９】
（第３の実施例）
電流注入されるストライプ状のリッジ構造の側面とリッジ以外のｐ型層表面に形成する電流阻止層として、厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたこと以外は、第２の実施例と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製した。
【００７０】
このようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流２３ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。本実施例では、電流注入されるストライプ領域外に形成されたＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層において活性層で発生した光を吸収していることにより、レーザ光の横モードの広がりがこの電流阻止層での光の吸収によって安定化され、単一横モードのレーザ光が再現性良く得られるようになった。
【００７１】
また本実施例では、電流阻止層の導電型をｎ型としたが、この電流阻止層での光の吸収によって発生された少数キャリアである正孔は、拡散長が短いためすぐに消滅してしまい、電流阻止層を流れてｐ型クラッド層に流入することはない。従って、電流阻止層として光を吸収する半導体材料を用いる場合は、その導電型はｎ型になるようにすることが好ましい。
【００７２】
なお、本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（２．９ｅＶ）を用いたが、活性層のエネルギーギャップ（３．１ｅＶ）以下のエネルギーギャップを有する半導体であればよく、他のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の砒化ガリウム系半導体、燐化インジウム系半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＶ族半導体等でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【００７３】
（第４の実施例）
電流注入されるストライプ状のリッジ構造の側面とリッジ以外のｐ型層表面に形成する電流阻止層として、厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたこと以外は、第２の実施例と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製した。
【００７４】
このようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１８ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。本実施例では、電流注入されるストライプ領域外に形成されたＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層の屈折率（２．４３）が、Ｍｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層の屈折率（２．４９）よりも小さいため、ストライプ領域の内部では外部に比べて実効屈折率が大きくなり、この屈折率差によってレーザ光の横モードの広がりが安定化され、単一横モードのレーザ光が再現性良く得られるようになった。また、Ｓｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層では活性層で発生した光を吸収しないので、さらに発振閾値電流値を低減できた。
【００７５】
なお、本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたが、Ｍｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層の屈折率以下の屈折率を有する半導体であればよく、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の半導体材料でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【００７６】
（第５の実施例）
図３は本発明の第５の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、４１はｃ面を表面として有するサファイア基板、４２はＧａＮバッファ層、４３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、４５はｎ−ＧａＮガイド層、４６は３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、４７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、４８はｐ−ＧａＮガイド層、４９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、５０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、５１はｐ側電極、５２はｎ側電極、５３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００７７】
本発明において、サファイア基板４１の表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わない。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板も用いることが出来る。特にＧａＮ基板とＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて基板上に積層した窒化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の膜が得られ、さらに劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点がある。バッファ層４２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００７８】
ｎ型クラッド層４４及びｐ型クラッド層４９は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４４とｐ型クラッド層４９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００７９】
ガイド層４５、４８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層４６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４４、４９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ・ＡｌＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層４６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００８０】
多重量子井戸構造活性層４６を構成する３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。
【００８１】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層４６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４７を形成しているが、これは量子井戸層が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層を保護するものであれば蒸発防止層４７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層４７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層４８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層４７を形成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特に蒸発防止層４７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００８２】
次に、図３を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００８３】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板４１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層４２を３５ｎｍ成長させる。
【００８４】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４３を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層４５を成長する。
【００８５】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）４６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４７を成長する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層４８を成長する。
【００８６】
以上の結晶成長を行った後、このウェハーを一旦成長炉から取り出し、Ｍｇドープｐ−ＧａＮガイド層４８表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜５３を電流阻止層として形成する。さらに通常のフォトリソグラフィーとウェットエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、ＳｉＯ2絶縁膜５３をフッ酸によりウェットエッチングする。
【００８７】
その後、このウェハーを再度成長炉内に設置して、ＴＭＧとＴＭＡ、ＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、成長温度を１０５０℃として厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。この時、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０は、上記１．０μｍ幅のストライプ状の溝を中心にして、リッジ構造状に形成される。
【００８８】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００８９】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０からなるストライプ状のリッジ構造を含むように２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を形成するために、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０が積層されていないＳｉＯ2絶縁膜５３の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４３が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。この時、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０からなるストライプ状のリッジ構造は、２００μｍ幅のメサ構造の両端より３μｍ以上離しておけばよく、本実施例ではｎ側電極５２を形成する側のメサ構造の端より５μｍ離れたところにストライプ状のリッジ構造を配置した。このようにｎ側電極５２に近付けるようにストライプ状のリッジ構造を配置すれば、素子の電気抵抗が小さくなり、動作電圧が低減される。
【００９０】
続いて、ＳｉＯ2絶縁膜５３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極５１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極５２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００９１】
その後、このウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００９２】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１５ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００９３】
本実施例では、電流注入されるストライプ領域の幅を１．０μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【００９４】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層４６を構成する量子井戸層と障壁層の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層と障壁層の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量子井戸構造活性層４６の量子井戸層数は２層や４層でもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【００９５】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００９６】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４３の表面にｎ側電極５２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極５２を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はなく、電流注入されるストライプ状のリッジ構造は、半導体レーザ素子チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００９７】
（第６の実施例）
図４は本発明の第６の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、６１はｃ面を表面として有する絶縁性ＧａＮ基板、６２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、６３はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、６４はｎ−ＧａＮガイド層、６５は３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と４層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、６６はｐ−ＧａＮガイド層、６７はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層、６８はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層、６９はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、７０はｐ側電極、７１はｎ側電極、７２はＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層である。
【００９８】
本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたが、Ｍｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層の屈折率以下の屈折率を有する半導体であればよく、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の半導体材料でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【００９９】
本発明においては、基板としてＧａＮ基板を用いたことにより、積層する窒化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の膜が得られ、さらに劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易になっている。しかしながら、基板はＧａＮ基板に限らず、サファイア基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板も用いることが出来る。特にサファイア基板を用いた場合は、窒化物半導体とサファイア基板との格子定数の違いを緩和するために、サファイア基板上に窒化ガリウム系半導体バッファ層を形成して、半導体レーザ素子の多層構造を積層すれば良い。
【０１００】
ｎ型クラッド層６３及びｐ型クラッド層６７と６８は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層６３とｐ型クラッド層６７と６８とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【０１０１】
次に、図４を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【０１０２】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する絶縁性ＧａＮ基板６１上に、成長温度１０５０℃で、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層６２を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層６３を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層６４を成長する。
【０１０３】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ３５ｎｍ）６５を作成する。
【０１０４】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層６６を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７を成長する。続けて、ＴＭＧとＮＨ3、ＴＭＡ、及びＳｉＨ4を原料に用いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層７２を成長する。
【０１０５】
以上の結晶成長を行った後、このウェハーを一旦成長炉から取り出し、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７に達するまで１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層７２をドライエッチングする。このドライエッチングの際には、多重量子井戸構造活性層６５に達しないようにエッチングを停止しているので、活性層へのエッチングダメージが抑えられており、信頼性の低下や、発振閾値電流値の増大が防がれている。
【０１０６】
その後、このウェハーを再度成長炉内に設置して、１．０μｍ幅のストライプ状の溝とｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層７２の表面全体にわたり、ＴＭＧとＴＭＡ、ＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、成長温度を１０５０℃として厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層６８を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層６９を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【０１０７】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【０１０８】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部を含むように２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を形成するために、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部が形成されていない領域のｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層６９の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層６２が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。この時、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部は、２００μｍ幅のメサ構造の両端より３μｍ以上離しておけばよく、本実施例ではｎ側電極７１を形成する側のメサ構造の端より５μｍ離れたところにストライプ状の溝を配置した。
【０１０９】
続いて、２００μｍ幅のメサ構造の最表面にあるｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層６９の表面にニッケルと金からなるｐ側電極７０を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層６２の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極７１を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【０１１０】
その後、このウエハーをストライプ状の溝部と垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【０１１１】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１５ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【０１１２】
本実施例では、電流注入されるストライプ状の溝部の幅を１．０μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【０１１３】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層６５を構成する量子井戸層と障壁層の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層と障壁層の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量子井戸構造活性層６５の量子井戸層数は２層や４層でもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【０１１４】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【０１１５】
さらに本実施例では絶縁性基板を用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層６２の表面にｎ側電極７１を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極７１を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はなく、電流注入されるストライプ状の溝部は、半導体レーザ素子チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【０１１６】
また本実施例では、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層６８とを同一組成にしている。従ってｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層７２をドライエッチングしてストライプ状の溝部を作製する際、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７のエッチングの残し膜厚がいくらであっても、ストライプ状の溝部に配置されたｐ型クラッド層を構成する窒化ガリウム系半導体材料は同一組成であるため、横モード等のレーザ特性には全く影響しない。これにより、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７のエッチングの残し膜厚にばらつきが生じても、このばらつきに影響されずに良好なレーザ特性が得られることになる。また、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７のエッチングの残し膜厚をエッチングレートにより正確に制御できるのであれば、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層６７とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層６８とを同一組成にしなくても、ばらつきの無い良好なレーザ特性が得られるので、違う組成で作成しても構わない。
【０１１７】
（第７の実施例）
図５は本発明の第７の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、８１はｃ面を表面として有する絶縁性ＧａＮ基板、８２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、８３はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、８４はｎ−ＧａＮガイド層、８５は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、８６はｐ−ＧａＮガイド層、８７はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層、８８はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、８９はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、９０はｐ側電極、９１はｎ側電極、９２はＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層である。
【０１１８】
本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたが、活性層のエネルギーギャップ以下のエネルギーギャップを有する半導体であればよく、他のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の砒化ガリウム系半導体、燐化インジウム系半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＶ族半導体等でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【０１１９】
次に、図５を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【０１２０】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する絶縁性ＧａＮ基板８１上に、成長温度１０５０℃で、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層８２を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層８３を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層８４を成長する。
【０１２１】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）８５を作成する。
【０１２２】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８６を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７を成長する。続けて成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、ＴＭＩ、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ０．３μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層９２を成長する。
【０１２３】
以上の結晶成長を行った後、このウェハーを一旦成長炉から取り出し、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７に達するまで１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、ｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層９２をドライエッチングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７に達すると、エッチング表面にＡｌ原子が現れるため、このＡｌ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。
【０１２４】
その後、このウェハーを再度成長炉内に設置して、１．０μｍ幅のストライプ状の溝とｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層９２の表面全体にわたり、ＴＭＧとＴＭＡ、ＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、成長温度を１０５０℃として厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層８８を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層８９を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【０１２５】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【０１２６】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部を含むように２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を形成するために、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部が形成されていない領域のｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層８９の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層８２が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。この時、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部は、２００μｍ幅のメサ構造の両端より３μｍ以上離しておけばよく、本実施例ではｎ側電極９１を形成する側のメサ構造の端より５μｍ離れたところにストライプ状の溝を配置した。
【０１２７】
続いて、２００μｍ幅のメサ構造の最表面にあるｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層８９の表面にニッケルと金からなるｐ側電極９０を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層８２の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極９１を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【０１２８】
その後、このウエハーをストライプ状の溝部と垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【０１２９】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１８ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【０１３０】
本実施例では、電流注入されるストライプ状の溝部の幅を１．０μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【０１３１】
また本実施例では、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層８８とを同一組成にしているが、これは異なっていても構わず、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７のＡｌ組成も本実施例にこだわらず、エッチングの深さを判断できるものであれば他の半導体材料でも構わない。Ａｌ組成をｐ型クラッド層８８よりも少なくし、ｐ−ＧａＮガイド層８６よりも大きくすると、ｐ型エッチング停止層８７のエネルギーギャップはｐ型クラッド層８８とｐ−ＧａＮガイド層８６の間のエネルギーギャップとなり、正孔をｐ型クラッド層８８からｐ−ＧａＮガイド層８６へ注入する際にエネルギーの勾配が出来て、注入しやすくなるという利点がある。
【０１３２】
また、本実施例では、ｐ−ＧａＮガイド層８６の上にｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７を積層したが、ｐ−ＧａＮガイド層８６の内部にｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型エッチング停止層８７を形成しても構わない。
【０１３３】
（第８の実施例）
図６は本発明の第８の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、１０１はｃ面を表面として有するサファイア基板、１０２はＧａＮバッファ層、１０３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、１０４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、１０５はｎ−ＧａＮガイド層、１０６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、１０７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、１０８はｐ−ＧａＮガイド層、１０９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１１１はｐ側電極、１１２はｎ側電極、１１３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【０１３４】
次に、図６を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【０１３５】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板１０１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層１０２を３５ｎｍ成長させる。
【０１３６】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１０３を成長する。
【０１３７】
以上の結晶成長を行った後、このウェハーを一旦成長炉から取り出し、Ｓｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１０３表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１１３を電流阻止層として形成する。さらに通常のフォトリソグラフィーとウェットエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、ＳｉＯ2絶縁膜１１３をフッ酸によりウェットエッチングする。
【０１３８】
その後、このウェハーを再度成長炉内に設置して、ＴＭＧとＴＭＡ、ＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、成長温度を１０５０℃として厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層１０４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層１０５を成長する。
【０１３９】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１５ｎｍ）１０６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層１０７を成長する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層１０８を成長する。さらに続けて、ＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。この時、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層１０４、ｎ−ＧａＮガイド層１０５、多重量子井戸構造活性層１０６、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層１０７、ｐ−ＧａＮガイド層１０８、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０９、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１０は、上記１．０μｍ幅のストライプ状の溝を中心にして、リッジ構造状に形成される。
【０１４０】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【０１４１】
さらに通常のフォトリソグラフィーとウェットエッチング技術を用いて、上記リッジ構造が形成されていないＳｉＯ2絶縁膜１１３の一部を１００μｍ幅のストライプ状に、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１０３が露出するまでエッチングを行う。
【０１４２】
続いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１１１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１０３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１１２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【０１４３】
その後、このウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【０１４４】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１８ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【０１４５】
本実施例では、電流注入されるストライプ領域の幅を１．０μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【０１４６】
また、本実施例ではサファイア基板１０１上にまずｎ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成した後に、ｐ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成したが、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。逆にした場合、電流阻止層を形成後に積層されるＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層はｐ型であるため、電気抵抗が大きくなり、電流阻止層で狭窄された電流がｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層で広がってしまうことを抑えられ、発振閾値電流値が低減できる。
【０１４７】
（第９の実施例）
図７は本発明の第９の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、１２１はｃ面を表面として有するサファイア基板、１２２はＧａＮバッファ層、１２３はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１２４はｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層、１２５はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１２６はｐ−ＧａＮガイド層、１２７は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、１２８はｎ−ＧａＮガイド層、１２９はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、１３０はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、１３１はｐ側電極、１３２はｎ側電極、１３３はＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層である。
【０１４８】
本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたが、Ｍｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層の屈折率以下の屈折率を有する半導体であればよく、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の半導体材料でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【０１４９】
次に、図７を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【０１５０】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有するサファイア基板１２１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層１２２を３５ｎｍ成長させる。
【０１５１】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ３μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２３を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＩを原料に加え、厚さ０．０２μｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層１２４を成長する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧ、ＴＭＡとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ０．２μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層１３３を成長する。
【０１５２】
以上の結晶成長を行った後、このウェハーを一旦成長炉から取り出し、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、Ｓｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層１３３をエッチングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層１２４に達すると、エッチング表面にＩｎ原子が現れるため、このＩｎ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。
【０１５３】
その後、このウェハーを再度成長炉内に設置して、１．０μｍ幅のストライプ状の溝とｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層１３３の表面全体にわたり、ＴＭＧとＴＭＡ、ＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、成長温度を１０５０℃として厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１２５を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層１２６を成長する。
【０１５４】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）１２７を作成する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層１２８を成長する。さらに続けて、ＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層１２９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１３０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【０１５５】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【０１５６】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部を含むように２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を形成するために、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部が形成されていない領域のｎ−ＧａＮｐ型コンタクト層１３０の最表面から、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２３が露出するまでエッチングを行いメサ構造を作製する。この時、１．０μｍ幅のストライプ状の溝部は、２００μｍ幅のメサ構造の両端より３μｍ以上離しておけばよく、本実施例ではｐ側電極１３１を形成する側のメサ構造の端より５μｍ離れたところにストライプ状の溝を配置した。
【０１５７】
続いて、２００μｍ幅のメサ構造の最表面にあるｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層１３０の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１３２を形成し、エッチングにより露出したｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２３の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１３１を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【０１５８】
その後、このウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【０１５９】
以上のようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１５ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。この結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【０１６０】
本実施例では、電流注入されるストライプ領域の幅を１．０μｍとしたが、０．２μｍ以上１．８μｍ以下であれば、本実施例にこだわらず他のストライプ領域の幅でも同等の効果が得られる。
【０１６１】
また、本実施例では、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２３とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１２５の間にｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層１２４を積層したが、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１２５の内部にｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層１２４を形成しても構わない。
【０１６２】
また、本実施例ではサファイア基板１２１上にまずｐ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成した後に、ｎ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成したが、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。逆にした場合、ｐ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体よりも良質のｎ型の導電性を有する窒化ガリウム系半導体の上に活性層を形成するため、信頼性が向上するという利点がある。
【０１６３】
（第１０の実施例）
エッチング停止層として厚さ０．０２μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を用い、電流阻止層として厚さ０．２μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたこと、以外は、第９の実施例と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製した。この場合、１．０μｍ幅のストライプ状の溝を形成するように、Ｓｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層をエッチングする際、エッチングの深さがｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎエッチング停止層に達すると、エッチング表面にＡｌ原子が現れるため、このＡｌ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。
【０１６４】
このようにして作製された半導体レーザ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流１８ｍＡという良好なレーザ特性が得られ、これらの特性の劣化もみられず、自励発振することも確認された。本実施例では、電流注入されるストライプ領域外に形成されるＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層において活性層で発生した光を吸収していることにより、レーザ光の横モードの広がりがこの電流阻止層での光の吸収によって安定化され、単一横モードのレーザ光が再現性良く得られるようになった。
【０１６５】
なお、本実施例では、電流阻止層としてＳｉドープｎ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いたが、活性層のエネルギーギャップ以下のエネルギーギャップを有する半導体であればよく、他のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ３元混晶窒化物半導体やＡｌＧａＩｎＮ４元混晶窒化物半導体、及び、窒化物半導体以外の砒化ガリウム系半導体、燐化インジウム系半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、ＩＶ族半導体等でも構わない。電流阻止層として窒化ガリウム系半導体を用いた場合は、活性層やクラッド層を構成する他の窒化ガリウム系半導体と熱膨張係数や格子定数、及び、結晶構造が似ているため、結晶性の良い電流阻止層が形成でき、レーザ素子の信頼性が向上するという利点がある。
【０１６６】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、活性層の幅よりも狭い幅のストライプ領域に電流が注入される窒化ガリウム系半導体レーザ素子において電流注入されるストライプ領域の幅を０．２μｍ以上１．８μｍ以下とした。この結果、ストライプ領域外でレーザ光が広がっている領域に存在する活性層はこのレーザ光を吸収することができ、電流注入されるストライプ領域外の活性層が可飽和吸収層として働くため自励発振特性が得られた。また、本発明のようにストライプ領域の幅を狭くしても、窒化ガリウム系半導体材料では電気抵抗値が大きいことにより、電流広がりはほとんど生じていないため、発振閾値電流値が低い良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。さらに、本発明のようにストライプ領域の幅を狭くしたことによりこの領域内に存在する欠陥の個数が低減されて、レーザ特性の劣化が生じず、素子の信頼性が向上するという利点も得られた。これにより、良好なレーザ発振特性を有し、光ディスク用として使用可能な、データの読み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図４】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図５】本発明の第７の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図６】本発明の第８の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図７】本発明の第９の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図８】電流注入されるストライプ領域の幅を従来例の幅よりも狭くした、本発明に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図９】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、電流注入されるストライプ領域の幅を変化させた時の発振閾値電流値の変化を表すグラフ図である。
【図１０】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、電流注入されるストライプ領域の外側の活性層と電流素子層とにはさまれた半導体層の層厚を変化させた時の発振閾値電流値の変化を表すグラフ図である。
【図１１】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【図１２】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の自励発振型の半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、１０１、１２１  サファイア基板
２、２２、４２、１０２、１２２  ＧａＮバッファ層
３、２３、４３、６２、８２、１０３、１３０  ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４、２４、４４、６３、８３、１０４、１２９  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
５、２５、４５、６４、８４、１０５、１２８  ｎ−ＧａＮガイド層
６、２６、４６、６５、８５、１０６、１２７  多重量子井戸構造活性層
７、４７、１０７  Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
８、２７、４８、６６、８６、１０８、１２６  ｐ−ＧａＮガイド層
９、２９、４９、８８、１０９、１２５  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層
１０、３０、５０、６９、８９、１１０、１２３  ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
１１、３１、５１、７０、９０、１１１、１３１  ｐ側電極
１２、３２、５２、７１、９１、１１２、１３２  ｎ側電極
１３、３３、５３、１１３  ＳｉＯ2絶縁膜
２８、１２４  ｐ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎエッチング停止層
６７  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第１クラッド層
６８  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層
７２、１３３  Ｓｉドープｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層
６１、８１  絶縁性ＧａＮ基板
８７  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎエッチングストップ層
９２  ＳｉドープＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ電流阻止層
【図１】
0003653169.tif 000002
【図２】
0003653169.tif 000003
【図３】
0003653169.tif 000004
【図４】
0003653169.tif 000005
【図５】
0003653169.tif 000006
【図６】
0003653169.tif 000007
【図７】
0003653169.tif 000008
【図８】
0003653169.tif 000009
【図９】
0003653169.tif 000010
【図１０】
0003653169.tif 000011
【図１１】
0003653169.tif 000012
【図１２】
0003653169.tif 000013