(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａxＩｎyＡｌzＢ1-x-y-zＮ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ半導体レーザにおいて、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成され、該電流注入部の両側には少なくとも１層以上の電流ブロック層が形成されており、前記電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造からなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項２】
前記電流ブロック層は前記電流注入部の端より等価的に屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項３】
前記電流ブロック層は前記電流注入部の中心よりバンドギャップエネルギーが小さく吸収損失が大きくかつ屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項４】
前記電流ブロック層は窒化ガリウム系化合物半導体材料からなり、前記活性層部は少なくともＩｎaＧａbＡｌcＢ1-a-b-cＮ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎeＧａfＡｌgＢ1-e-f-gＮ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層の組成または厚さまたは幅が異なる複数の活性層構造が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化合物半導体レーザ。
【請求項６】
前記電流注入部は、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に該電流注入部の中心より該電流注入部の端で膜厚が厚くＩｎ組成が高い活性層を備え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化合物半導体レーザ。
【請求項７】
窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａxＩｎyＡｌzＢ1-x-y-zＮ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｘ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾み、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、少なくとも１層以上の電流ブロック層を形成する工程と、該電流ブロック層を選択的に除去する工程と、該工程により除去した部分に前記電流注入部となる層構造を、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造となるように選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部と前記電流ブロック層の上部に、前記電流注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａhＩｎiＡｌjＢ1-h-i-jＮ：０≦ｈ、ｉ、ｊ、ｈ＋ｉ＋ｊ≦１）を少なくとも１層以上結晶成長する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａxＩｎyＡｌzＢ1-x-y-zＮ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾み、前記活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、前記電流注入部となる層構造を、ストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該電流注入部の端で大きい構造となるように選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部の両側に少なくとも１層以上の電流ブロック層を形成する工程と、前記電流注入部と前記電流ブロック層の上部に、前記電流注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａhＩｎiＡｌjＢ1-h-i-jＮ：０≦ｈ、ｉ、ｊ、ｈ＋ｉ＋ｊ≦１）を少なくとも１層以上結晶成長する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、窒化物化合物半導体材料を用いた半導体素子に係わり、特にＩｎＧａＡｌＢＮ系材料からなる半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスクの高密度化等で必要とされる短波長光源としてＩｎＧａＡｌＮ材料を用いた半導体レーザの開発が進められている。この材料系で電流注入による発振を実現した構造として多重量子井戸構造を用いたレーザが報告されている。
【０００３】
バルク活性層に対して薄膜活性層を用いた多重量子井戸構造はしきい値を大幅に低減できることが知られている。しかしながら、この材料系ではまだしきい電流密度は高く、動作電圧も高いため、連続発振を実現するためには多くの課題がある。
【０００４】
ＩｎＧａＡｌＮ系レーザで動作電圧が高い原因の一つはｐ型のコンタクト抵抗が極めて大きいことである。既に報告されている電極ストライプ構造では、ｐ型電極ストライプにおける電圧降下が大きく、動作電圧が高くなると共に、この領域での熱の発生が無視できない。コンタクト抵抗を低減するには電極面積を大きくすれば良いが、上記電極ストライプ構造では、電極面積を広げるとしきい電流値も大きくなってしまい、また電流注入領域が大きいために基本横モード発振は不可能である。
【０００５】
光ディスク等への応用では、出射ビームを極小スポットに絞ることが必要となるため、基本横モード発振は不可欠であるが、ＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは横モード制御構造が実現されていない。従来の材料系では例えばＩｎＧａＡｌＰ系でリッジストライプ型のＳＢＲレーザが報告されている。
【０００６】
しかしながら、ＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは、材料系がこれとは異なるために、この構造をそのまま適用することはできない。ＩｎＧａＡｌＮ系における電流狭窄構造としては、特開平８−１１１５５８号公報に、ＧａＮを電流狭窄層に用いた構造が開示されている。この構造は、電流狭窄は可能であるが、光閉じ込め作用はないため、非点収差等のない良質の出射ビームを得るのは困難である。
【０００７】
一般に、クラッド層中に設けた電流狭窄層を光閉じ込め層としても作用させるためには、その組成や厚さ、活性層からの距離等を所定の値に設定する必要がある。特にＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは、発振波長が短いために、たとえ組成が同じであっても、厚さや位置によって全く異なる導波機構となってしまう。このため、単に電流狭窄層を設けただけでは安定な基本横モード発振は得られない。
【０００８】
一方、光ディスクシステムに用いるための半導体レーザには様々な仕様が要求される。特に追記型や書き替え型では、再生読み出し用の低出力半導体レーザと、消去、記録用の高出力半導体レーザが必要とされ、それぞれ仕様は異なる。高出力半導体レーザは一般に薄膜活性層構造が用いられるが、この構造は必ずしも読み出し用レーザには適していない。読み出し用レーザには低雑音特性が要求されるからで、このために例えば自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では自励発振を得ることが難しいからである。そのため、高周波重畳法やレーザ自体を２種類用いる方法などが取られているが、いずれも構成が複雑である。また、活性層厚を場所によって変えて、２種類のレーザを形成する方法も報告されているが、活性層厚制御等が難しいという問題がある。
【０００９】
さらにまた、光ディスクの高密度化に伴って、波長の異なる半導体レーザが使用されることになるが、従来の光ディスクシステムとの互換性が要求されるため、両方の波長のレーザが必要となる場合がある。これは特に、赤色と青色というように波長差が大きい場合に必要となる。これは光ディスクのピット深さが使用波長で最適化されているためで、再生波長が大幅に異なると、ピットからの反射による信号のＳＮが低下してしまうからである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、ＩｎＧａＡｌＮ系の半導体レーザでは横モード制御構造の作製が難しく、基本横モードで連続発振する半導体レーザを実現することは困難であった。また、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することは困難であった。さらにまた、使用波長が異なり記録密度の異なる光ディスクシステムの互換性確保に必要な、両者に使える半導体レーザの実現が困難であった。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、安定な基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザを提供することにある。また、本発明の他の目的は、難しいプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することのできる半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
さらにまた、本発明の他の目的は、設計使用波長が異なる光ディスクシステム間の互換性確保に必要な、両者に使える半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、屈折率の大きい光閉じ込め層を設けて、その損失導波効果または反導波効果によって横モードを制御することにより、動作電圧が低くかつ安定な基本横モードでの連続発振を可能とすることにある。
【００１４】
即ち本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ半導体レーザにおいて、該活性層にキャリアを注入するためのストライプ状の電流注入部が形成され、該電流注入部の両側には少なくとも１層以上の電流ブロック層が形成され、該電流注入部は等価屈折率が異なる構成からなることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては、次のものが挙げられる。
（１）電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該注入狭窄部の端で大きい構造からなり，且つ電流ブロック層は該電流注入部の端より等価的に屈折率が大きい窒化ガリウム系化合物半導体材料からなること。
（２）電流注入部はストライプ及び電流注入方向に垂直な方向に等価屈折率が該電流注入部の中心より該注入狭窄部の端で大きい構造からなり、且つ電流ブロック層は該電流注入部の中心よりバンドギャップエネルギーが小さいために吸収損失が大きくかつ屈折率が大きい窒化ガイルム系化合物半導体材料からなること。
（３）電流ブロック層は窒化ガリウム系化合物半導体材料からなり、活性層部は少なくともＩｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなること。
【００１６】
また本発明は、複数のレーザ光を発生する半導体レーザにおいて、活性層の組成または厚さまたは幅が異なる複数の活性層構造を備えていることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法において、少なくとも１層以上の電流ブロック層となる層構造を形成する工程と、前記電流ブロック層を選択的に除去する工程と、該工程により除去した部分に選択的に結晶成長して電流注入部となる層構造を形成する工程を含むことを特徴とするまた本発明のもう１つの方法は、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ：０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、活性層を導電型の異なる半導体層で挾んだ窒化ガリウム系化合物半導体レーザを製造する際、電流注入部となる層構造を選択的に結晶成長する工程と、前記電流注入部の両側に少なくとも１層以上の電流ブロック層を形成する工程であっても構わない。
【００１８】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては、前記ブロック層と前記電流注入部の上部に、前記電流注入部の表面と同一の導電型の窒化ガリウム系化合物半導体（Ｇａh Ｉｎi Ａｌj Ｂ1-h-I-j Ｎ：０≦ｈ、ｉ、ｊ、ｈ＋ｉ＋ｊ≦１）を少なくとも１層以上結晶成長する工程を含むことが挙げられる。
【００１９】
本発明によれば、ＩｎＧａＡｌＢＮ系半導体レーザで、電流ブロック層には電流注入部より屈折率が大きい光閉じ込め層を設け、さらに電流注入部は中心から端に向けて屈折率を大きくして光閉込め効果を良好にさせることで、高次モードが抑制され安定な基本横モードでの連続発振が可能となるばかりか、しきい電流密度が低減できる。
【００２０】
また本発明によれば、厚膜活性層の低出力・低雑音レーザと薄膜活性層の高出力レーザとを同一基板上に形成できるため、複雑なプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することが可能となる。
さらにまた本発明によれば、異なる波長のレーザを同一基板上に形成できるため、波長の違いによる非互換性の問題を解決できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、１０１はサファイア基板、１０２はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５＋１０18cm-3、４μｍ）、１０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、１０４はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、１０５はｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．２μｍ）電流ブロック層、１０６はｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）電流ブロック層、１０７はＩｎＧａＮ量子井戸（アンドープ、溝の中心部はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ、２ｎｍ）が１０層とそれを挾むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ、溝の中心部はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ；Separete Confinement Heterostructure Multi-Quantum Well ）活性層、１０８はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ、溝の中心部は０．１μｍ）、１０９はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、溝の中心部はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ、０．１μｍ）、１１０はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、１１１はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、１μｍ）、１１２はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造ｐ側電極、１１３はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、１１４はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００２２】
次に、上記窒化物化合物半導体レーザの製造方法について、図７の工程断面図を参照して説明する。まず、図７の（ａ）で示す様に、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と略す）でサファイア基板上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２からｎ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層１０６までを成長し、ＳｉＯ2 マスクを堆積し、ＳｉＯ2 マスクの一部を幅７μｍでストライプ状に除去し、このＳｉＯ2 をエッチングマスクとして塩素ガスを含むドライエッチング法によりｎ−ＧａＮ導波層１０４までの溝を形成する。次いで、図７の（ｂ）で示す様に、ＳｉＯ2 マスクとして、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９までを選択成長する。ここで、ＳｉＯ2 マスク上には結晶が成長しないために、ストライプ状にＳｉＯ2 を除去した領域のみに選択成長ができる。また、ストライプ状にＳｉＯ2 を除去した幅がＳｉＯ2 マスクの幅に比べて１／２０以下の場合には、ストライプの中心部に比べＳｉＯ2 に近づくほど結晶成長速度が速くなり、結果として中心部より周辺部に向けて膜厚が厚くなる。特に、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７を構成するＩｎＧａＮはＩｎ組成も中心部より周辺部に向けて高くなるので屈折率が傾斜的に大きくなる。本発明の第１の実施例の場合、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７において、ＩｎＧａＮ量子井戸層はストライプ中心部でＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ、厚さ２ｎｍ、ストライプ周辺部でＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ、厚さ３ｎｍが形成され、また、ＩｎＧａＮ障壁層はストライプ中心部でＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、厚さ４ｎｍ、ストライプ周辺部でＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎ、厚さ５．５ｎｍが形成された。次いで、図７の（ｃ）で示す様に、ＳｉＯ2 マスクを除去し、全面にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１０とｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を成長する。次いで、図７の（ｄ）で示す様に、ストライプ状のメサを形成し、ウェハ全面にＳｉＯ2 絶縁膜１１４を９００ｎｍ堆積し、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上部にＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造ｐ側電極１１２を、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２の一部にＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極１１３を形成する。次いで、サファイア基板１０１裏面を鏡面研磨し基板１０１の厚さを５０μｍとし、さらに電流狭窄構造に垂直な面で劈開し、その劈開面には特に図示しないがＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施し、さらに図６で示す様に、Ｃｕ、立法晶窒化硼素またはダイアモンド等の熱伝導性の高いヒートシンク１１５上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等をメタライズした層１１６に対してＡｕＳｎ共晶半田１１７を用いて熱圧着させる。ここでＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７の真上のｐ側電極１１２がヒートシンク１１５に熱圧着されていれば放熱性に問題は無い。さらに、電流注入のためにＡｕ線またはＡｌ線を用いて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕメタライズ層１１６に配線する。尚、製造工程の順序は図７に示す構成に限らない。電流注入部の屈折率分布を本発明のようにするには、ＭＯＣＶＤ法とでサファイア基板上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２からｎ−ＧａＮ導波層１０４までを成長し、ＳｉＯ2 マスクを堆積し、ＳｉＯ2 マスクの一部を幅７μｍでストライプ状に除去し、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９までを形成し、さらにｐ���ＡｌＧａＮクラッド層１０９上部をＳｉＯ2 マスクで覆い、ｐ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層１０５からｎ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層１０６を形成しても、ＭＯＣＶＤ法による選択成長工程で横方向の屈折率が異なる電流注入部が形成できる。
【００２３】
本実施例では、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流７０ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．２Ｖで室温連続発振した。さらに５０℃、５ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上であった。また、非点隔差は５μｍと小さく、光ディスク応用に適したビーム特性が得られた。本レーザの場合、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１１０とｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０３に挾まれたＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７からｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９の電流注入がなされる活性領域の等価屈折率がｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層１０５からｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層１０６までの非通電領域に比べて低くなっている反導波構造から形成されており、さらにストライプ状の電流注入部は電流ブロック層に近い領域で等価屈折率が大きくなるのでストライプ幅を狭くせずとも反導波構造の効果が増大し、水平横モードの１次モードがカットオフとなる条件、すなわち基本横モードのみが存在しやすくなるために、非点隔差が小さくなる。さらに、ＩｎＧａＮは井戸層幅異存性として２ｎｍの場合が最も利得が大きくなることが発明者等の実験で明らかであり、ＳＮＨ−ＭＱＷ活性層１０７のＩｎＧａＮ量子井戸層は厚さ２ｎｍのストライプ中心部と厚さ３ｎｍのストライプ周辺部との利得差が置きくなっているので、導波モードの制御性が向上している。
【００２４】
また、ｐ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層１０５及びｎ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層１０６のＩｎ組成をＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０７のＩｎＧａＮ量子井戸層より高くした場合、電流ブロック層１０５及び１０６は発振波長に対して吸収損失が大きくなり、導波モードの減衰が大きくなるので、結果的に電流注入部より電流ブロック層１０５及び１０６等価屈折率が低くなるが、この場合も基本横モードの安定化には極めて有効である。これは、電流ブロック層が損失領域であるので、染み出しの大きい高次モードは基本モードに比べて損失大またはカットオフになるためであるが、閾電流密度は反導波構造に比べてわずかに高くなる。
【００２５】
図２は本発明の第２の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、２０１はサファイア基板、２０２はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓドープ、５×１０18cm-3、４μｍ）、２０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、２０４はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、２０５はｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．２μｍ）電流ブロック層、２０６はｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）電流ブロック層、２０７はＩｎＧａＮ量子井戸（アンドープ、溝の中心部はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ、２ｎｍ）が１０層とそれを挾むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ、溝の中心部はＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）活性層、２０８はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ、溝の中心部は０．１μｍ）、２０９はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、溝の中心部はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ、２０ｎｍ）、２１０はｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、５０ｎｍ）、２１１はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、２１２はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、１μｍ）、２１３はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造ｐ側電極、２１４はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、２１５はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００２６】
本実施形態が図１で示される本発明の実施例１に対して異なる点は、ｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層２１１が挿入されていることにある。本レーザの場合、製造工程においては大気曝露されたｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０９とｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層２０６の夫々の表面に比較的低温からｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層２１１を成長開始できるので、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０９とｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層２０６の表面からの構成元素の蒸発防止が可能になるばかりか、ｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層２１１が過飽和吸収層として働くためにビーム特性が向上する。
【００２７】
図３は本発明の第３の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、３０１はサファイア基板、３０２はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０18cm-3、４μｍ）、３０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、３０４はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、３０５はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挾むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）活性層、３０６はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ、０．１μｍ）、３０７はｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．２μｍ）電流ブロック層、３０８はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）、電流ブロック層、３０９はｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、５０ｎｍ）、３１０はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）、３１１はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、３１２はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、１μｍ）、３１３はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（μｍ）構造ｐ側電極、３１４はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、３１５はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００２８】
本実施例のレーザの場合、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層３１１とｐ−ＧａＮ導波層３０６に挾まれたｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層３０９とＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層３１０からなる電流注入部はｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層３０７とｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ電流ブロック層３０８からなる電流ブロック層より等価屈折率が低く反導波構造を形成し、しかも電流注入部の中心部は周辺部より屈折率が低くなっている。従って、本発明の第１の実施例と同様に、水平横モードは基本モードだけとなり、非点隔差が小さくなる。
【００２９】
図４は本発明の第４の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、４０１はサファイア基板、４０２はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０18cm-3、４μｍ）、４０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、４０４はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、４０５はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挾むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）活性層、４０６はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ、０．１μｍ）、４０７はｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．２μｍ）、電流ブロック層、４０８はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）電流ブロック層、４０９はｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、５０ｎｍ）、４１０はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）、４１１はｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、５０ｎｍ）、４１２はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、４１３はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、１μｍ）、４１４はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造ｐ側電極、４１５はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極，４１６はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００３０】
本実施形態が図３で示される本発明の実施例３に対して異なる点は、本発明の第２の実施例が本発明の第１の実施例と異なるのと同様に、ｐ−Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４１１を挿入したことにある。従って、本発明の第２の実施例と同様に、低温から埋め込み成長が可能になるので、下地の層の変質が防止できる。
【００３１】
図５は本発明の第５の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明するためのものである。図中、５０１はサファイア基板、５０２はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０18cm-3、４μｍ）、５０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、５０４はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、５０５はｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．２μｍ）電流ブロック層、５０６はｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（Ｓｉドープ、１×１０18cm-3、０．１μｍ）電流ブロック層、５０７Ａ及び５０７ＢはＩｎＧａＮ量子井戸（アンドープ、溝の中心部は夫々Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ、４ｎｍとＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ、２ｎｍ）が１０層とそれを挾むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ、溝の中心部は夫々Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ、８ｎｍとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）活性層、５０８Ａ及び５０８Ｂはｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ、溝の中心部は夫々０．１μｍと０．０６μｍ）、５０９Ａ及び５０９Ｂはｐ−ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、溝の中心部はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ、膜厚は夫々０．１μｍと０．０６μｍ）、５１０はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、０．３μｍ）、５１１はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０18cm-3、１μｍ）、５１２はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造ｐ側電極、５１３はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、５１４はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００３２】
本実施形態が図１で示される本発明の実施例１に対して異なる点は、電流注入部の幅が５μｍと１０μｍの２種類あることである。ＳｉＯ2 マスクを用いた選択成長によるＳＣＨ−ＭＱＷ活性層５０７Ａ及び５０７Ｂの形成ではストライプ幅が狭いほどレーザ発振波長を決定するＩｎＧａＮ量子井戸層の組成は高くなり且つ膜厚は厚くなる。従って、ストライプ幅が５μｍの電流注入部Ａの中心ではＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ、４ｎｍの量子井戸層が形成され、ストライプ幅が１０μｍの電流注入部Ｂの中心ではＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ、２ｎｍ量子井戸層が形成され、夫々波長４２５ｎｍと波長４２０ｎｍで発振した。本レーザの場合、電流注入部Ａは厚膜活性層の低出力・低雑音レーザとして、電流注入部Ｂは薄膜活性層の高低出力レーザとして、夫々動作し、最大光出力は電流注入部Ａで１０ｍＷ、電流注入部Ｂで１００ｍＷであった。従って、選択成長により複雑なプロセスを要せず光ディスクシステムにおける再生読み出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することが可能になる。
【００３３】
さらにまた、本発明によれば、波長３６０ｎｍから波長６５０ｎｍまでの異なる波長をストライプ幅を変えるだけで実現可能であるので、波長の違うレーザを集積することが可能であり、光ディスクシステムの非互換性の問題を解決できる。
【００３４】
尚、図６で示すマウント法は窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の構造に依存するものでは無いので本発明のすべての実施例について適用できることは言うまでもない。
また、本発明は本実施例に限られるものではなく、半導体層の組成や膜厚の相違や、さらには導電性が逆の構造であっても構わない。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、活性領域が等価屈折率が異なる構成からなるストライプで形成され、さらにその両側には少なくとも１層以上の屈折率の大きい材料からなる電流ブロック層を形成することにより、閾値電流が低減され、且つ安定な基本横モードで発振する、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを実現することができ、光ディスクシステム等の光源として要求されるレーザ性能を満たすことが可能となる。
【００３６】
また本発明によれば、セルフアラインプロセスで容易に精度良く電流狭窄構造及び光閉じ込め構造を形成できる。さらに、同一のプロセスで容易にアレイ化ができるので、光ディスクシステムの消去・記録において要求される高出力レーザも実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係わる図
【図２】本発明の第２の実施例に係わる図
【図３】本発明の第３の実施例に係わる図
【図４】本発明の第４の実施例に係わる図
【図５】本発明の第５の実施例に係わる図
【図６】本発明の第１の実施例の半導体レーザ素子の実装に係わる図
【図７】本発明の第１の実施例の製造工程に係わる図
【符号の説明】
図中、
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１はサファイア基板、
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２はｎ−ＧａＮコンタクト層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３はｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層、
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４はｎ−ＧａＮ導波層、
１０５、２０５、３０７、４０７、５０５はｐ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層、
１０６、２０６、３０８、４０８、５０６はｎ−ＩｎＧａＮ電流ブロック層、
１０７、２０７、３０５、４０５、５０７Ａ、５０８ＢはＳＣＨ−ＭＱＷ活性層、
１０８、２０８、３０６、４１０、５０８Ａ、５０８Ｂはｐ−ＧａＮ導波層、
１０９、２０９、３１０、４１０、５０９Ａ、５０９Ｂはｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、
２１０、３０９、４０９、４１１はｐ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎバッファ層、
１１０、２１１、３１１、４１２、５１０はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層、
１１１、２１２、３１２、４１３、５１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、
１１２、２１３、３１３、４１４、５１２Ａ、５１２Ｂはｐ側電極、
１１３、２１４、３１４、４１５、５１３はｎ側電極、
１１４、２１５、３１５、４１６、５１４はＳｉＯ2 絶縁膜、
１１５はヒートシンク、
１１６はＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ層、
１１７はＡｕＳｎ半田。
【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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