(57)【要約】  窒化物半導体レーザ素子は、ｐ側光ガイド層とｐ型クラッド層との間に電子障壁層を有している。電子障壁層は、ｐ型クラッド層よりもバッドギャップエネルギーが大きい。ｐ側光ガイド層は、Ｉｎを含まないＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる。また、ｎ側光ガイド層の膜厚ｄｎとｐ側光ガイド層の膜厚ｄｐが、ｄｐ≧０．２５μｍ、且つｄｎ≧ｄｐの関係を満たす。
2017017928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、且つ前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層と、
前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、且つ前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなるｐ側光ガイド層と、
前記ｐ側光ガイド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記ｐ型クラッド層よりもバッドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる電子障壁層と、を備え、
前記ｐ側光ガイド層が、Ｉｎを含まないＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、
前記ｎ側光ガイド層の膜厚ｄｎと前記ｐ側光ガイド層の膜厚ｄｐが、ｄｐ≧０．２５μｍ、且つｄｎ≧ｄｐの関係を満たす、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ側光ガイド層の膜厚ｄｐが、０．２５μｍ≦ｄｐ≦０．６μｍ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ｐ側光ガイド層の不純物添加濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である、請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｐ側光ガイド層がアンドープ層である、請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ側光ガイド層は、前記ｐ側光ガイド層の上面に対して平行に延びるストライプ形状の凸部と、前記凸部の両側に配置される平坦部とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ側光ガイド層の前記凸部と、前記凸部の上に設けられた前記電子障壁層と、前記電子障壁層の上に設けられた前記ｐ型クラッド層を有するリッジストライプ部を備える、請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記リッジストライプ部の側面において、前記電子障壁層は、前記リッジストライプ部の内部よりも高い抵抗値を有する高抵抗領域を備える、請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記リッジストライプ部の側面に、前記リッジストライプ部の内部よりも高い抵抗値を有する高抵抗領域が形成されている、請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記リッジストライプ部の側面及び前記平坦部の上面の両方に、前記リッジストライプ部の内部よりも高い抵抗値を有する高抵抗領域が形成されている、請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記高抵抗領域は、前記窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体に加えて、Ｆｅ、Ａｒ、Ｎ、Ｆ、Ｂの少なくとも１つの元素を含む、請求項６〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記高抵抗領域は、前記窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体の酸化物または窒化物を含む、請求項６〜９のいずれか１項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】
本開示は、ＧａＮ系等の窒化物半導体からなる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型、安価、高出力などの優れた特徴をもつことから、半導体レーザが、通信、光ディスクなどのＩＴ技術のほか、医療、一部照明など、幅広い技術分野で用いられている。近年では特に、レーザディスプレイや液晶バックライト、自動車用ヘッドライトなどの高輝度照明の光源用途に、ＧａＮ系半導体レーザを用いた波長４０５ｎｍ〜５４０ｎｍの光源（窒化物半導体レーザ素子）の開発が進められている。これらの光源に用いられる半導体レーザ素子では、明瞭な画像や視界を得るために、高出力動作が求められる。また、このような高出力動作時には、低出力動作時に比べて電力消費量が大きくなるが、環境負荷を低減するためには、低消費電力化（エネルギー効率の向上）がことのほか重要になる。【０００３】
半導体レーザを低消費電力かつ高出力化するためには、投入した電力を効率よく光に変換する必要がある。そこで、投入したエネルギーのうちレーザ光に変換された割合を示す、電力光変換効率を高めることが肝要である。これは、投入電力を高効率に光に変換することで、光出力を増すことができるだけでなく、余剰エネルギーが熱に変わることを防ぐことも可能となり、発熱に起因する光出力低下や、長期信頼性特性に対する悪影響を低減することが出来るためである。【０００４】
さて、電力光変換効率を高めるためには、レーザのスロープ効率を高めることが必要となる。スロープ効率とは、発振動作中の半導体レーザへの投入電流を増し、その際の光出力の増分を、投入電流の増分で除した値であり、単位はワット毎アンペア（Ｗ／Ａ）である。ＧａＡｓ半導体レーザ素子では、スロープ効率を高めるための構造として、光ガイド層の膜厚を厚くする方法が提案されている（非特許文献１参照）。これは、光ガイド層を厚膜化することで、光吸収が大きいクラッド層に分布する導波光の割合を下げる手法である。【０００５】
従来、ＧａＮ系等の窒化物半導体からなる窒化物半導体レーザ素子では、バンドギャップが大きいことから、発光層よりもｐ型層側に、ｐ型層への電子漏れを防ぐための電子障壁層が設けられる。特許文献１に記載されているように、ｐ側光ガイド層の厚みは１００ｎｍ程度であり、電子障壁層は活性層に隣接するように、活性層とｐ側光ガイド層との間に設けられ、電子漏れを最小化する構造がとられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開２００６／１０９４１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｖｏｌ．  ３３，  ｎｏ．  ２２，  ｐｐ．  ２２６６，  １９９７
【発明の概要】
【０００８】
本開示の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型クラッド層と、ｐ型クラッド層と、活性層と、ｎ側光ガイド層と、ｐ側光ガイド層と、電子障壁層とを備えている。ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層は、窒化物半導体からなる。活性層は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に設けられている。ｎ側光ガイド層は、ｎ型クラッド層と活性層との間に設けられ、ｎ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、且つ活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる。ｐ側光ガイド層は、ｐ型クラッド層と活性層との間に設けられ、ｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、且つ活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる。電子障壁層は、ｐ側光ガイド層とｐ型クラッド層との間に設けられ、ｐ型クラッド層よりもバッドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる。ｐ側光ガイド層は、Ｉｎを含まないＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる。また、ｎ側光ガイド層の膜厚ｄｎとｐ側光ガイド層の膜厚ｄｐが、ｄｐ≧０．２５μｍ、且つｄｎ≧ｄｐの関係を満たす。
【０００９】
このような構成の窒化物半導体レーザ素子では、バンドギャップエネルギーが大きい電子障壁層がｐ側光ガイド層のｐ型クラッド層側に配置されているため、電子でｐ側光ガイド層全体が満たされ、これによりｐ側光ガイド層が低抵抗化して動作電圧の上昇を防ぐことが可能となる。このため、スロープ効率を高めるためにｐ側光ガイド層の厚みを０．２５μｍ以上にしても、動作電圧の上昇は見られない。
【００１０】
また、ｐ側光ガイド層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、発光性再結合の起源となるＩｎが含まれていない。このため、ｐ側光ガイド層に電子が注入された際に生じる、ｐ側光ガイド層における電子と正孔の発光性再結合による電子および正孔の漏れを低減することができる。
【００１１】
また、ｐ側光ガイド層の厚みを０．２５μｍ以上と厚くすると、導波光がｐ型クラッド層側に引き寄せられ、ｐ型クラッド層が内包する自由キャリア吸収による内部光損失増大が生じるという問題が考えられる。しかしながら、本開示の窒化物半導体レーザ素子では、ｎ側光ガイド層の膜厚ｄｎとｐ側光ガイド層の膜厚ｄｐが、ｄｎ≧ｄｐの関係を満たし、ｎ側光ガイド層についても０．２５μｍ以上と厚くなるため、上記した導波光がｐ型クラッド側に引き寄せられることによる内部光損失が増大することが抑えられる。
【００１２】
また、ｐ側光ガイド層の厚みを厚くし過ぎると、スロープ効率は低下する。しかしながら、ｐ側光ガイド層の厚みが０．６μｍ以下であれば、スロープ効率の低下は少ないため、十分なスロープ効率が得られる。
【００１３】
また、ｐ側光ガイド層は、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３を超えると光吸収が増大する。そのため、ｐ側光ガイド層のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下のごく低量にとどめることにより、光吸収を十分に小さく保つことができる。
【００１４】
特に、ｐ側光ガイド層がアンドープの場合、自由キャリア吸収による光吸収をほぼ取り除くことが可能となり、ｐ側光ガイド層における光吸収を最小とすることが可能となる。
【００１５】
本開示によれば、動作電圧の上昇を抑え、スロープ効率を高めた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】
【００１６】
【図１Ａ】本開示の実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の上面模式図である。
【図１Ｂ】本開示の実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線での断面模式図である。
【図２Ａ】比較例Ａと比較例Ｂの窒化物半導体レーザ素子に流れる電流の駆動電圧に対する変化を示す図である。
【図２Ｂ】実施形態１と比較例Ａの窒化物半導体レーザ素子に流れる電流の駆動電圧に対する変化を示す図である。
【図３】実施形態１と比較例Ａの窒化物半導体レーザ素子における駆動電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図４】実施形態１の窒化物半導体レーザ素子におけるｐ側光ガイド層の厚みに対する光吸収係数と内部量子効率の変化を示す図である。
【図５】実施形態１の窒化物半導体レーザ素子におけるｐ側光ガイド層の厚みに対するスロープ効率の変化を示す図である。
【図６】実施形態１と実施形態２の窒化物半導体レーザ素子におけるｐ側光ガイド層の厚みに対するスロープ効率の変化を示す図である。
【図７】実施形態１と実施形態２の窒化物半導体レーザ素子における駆動電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図８Ａ】本開示の実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の上面模式図である。
【図８Ｂ】本開示の実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線での断面模式図である。
【図９】実施形態１と実施形態３の窒化物半導体レーザ素子におけるエージング時間に対する光出力の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示の実施の形態の説明に先駆け、従来の構成における問題点を説明する。特許文献１に記載されているような窒化物半導体レーザ素子において、非特許文献１に記載されているように、スロープ効率を高めるためにｐ側ガイド層を厚膜化すると、動作電圧が顕著に上昇して消費電力が増大し、レーザ特性が低下するという問題があった。
【００１８】
本開示は上記の問題を鑑みなされたものであり、動作電圧の上昇を抑え、スロープ効率を高めた窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【００１９】
以下、本開示を実施するための形態について、詳細に説明する。
【００２０】
（実施形態１）
以下、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子について説明する。本実施形態においては、窒化物半導体レーザ素子の実施例として、六方晶ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いる青紫色（波長４０５ｎｍ）半導体レーザを用いて説明する。以下、図を参照しながら説明する。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子１００の構成を示す図である。図１Ａは窒化物半導体レーザ素子を上面方向から見た上面模式図である。図１Ｂは窒化物半導体レーザ素子を図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿って紙面に垂直な方向に切断した断面模式図である。
【００２２】
まず、窒化物半導体レーザ素子１００の構成について説明する。
【００２３】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて窒化物半導体レーザ素子１００は、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である半導体基板１上に、Ａｌ０．０３ＧａＮからなる３μｍ厚のｎ型クラッド層２と、アンドープのｉ−ＧａＮからなる０．５μｍ厚のｎ側光ガイド層３と、井戸層が２層のＩｎ０．０７ＧａＮ層、障壁層が３層のＩｎ０．００８ＧａＮ層である多重量子井戸構造の活性層４と、アンドープのｉ−ＧａＮからなる０．５μｍ厚のｐ側光ガイド層５と、ｐ−Ａｌ０．３５ＧａＮからなる０．００５μｍ厚の電子障壁層６と、ｐ−Ａｌ０．０６ＧａＮ／ＧａＮの２２０周期の超格子で構成される０．６６μｍ厚のｐ型クラッド層７と、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層８とが、順に積層されている。各層のバンドギャップエネルギーの大小関係は、活性層４＜ｎ側光ガイド層３＝ｐ側光ガイド層５＜ｎ型クラッド層２＝ｐ型クラッド層７＜電子障壁層６である。なお、超格子構造のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーは、平均組成に基づくものとしている。
【００２４】
窒化物半導体レーザ素子１００の光導波路２０の両側にはＳｉＯ２からなる絶縁膜９が形成され、光導波路２０の最上面はＰｄ／Ｐｔからなるｐ型電極１０、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる配線電極１１、Ｔｉ／Ａｕからなるパッド電極１２が所定のパターンにより形成されている。窒化物半導体レーザ素子１００の光導波路２０の前後は、光導波路２０内の光を反射するための例えば誘電体多層膜で構成されたリアコート膜１４と、光を放射するための、例えば誘電体多層膜で構成されたフロントコート膜１３が形成されている。半導体基板１の結晶成長面とは反対側の面には、Ｃｕ／Ａｕからなるｎ電極１５が形成されている。
【００２５】
次に、窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板１上に、例えば有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ型クラッド層２からｐ型コンタクト層８までを連続的に成膜する。具体的には、まず、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２を３μｍ程度積層する。ここで、成膜のためのガス原料としては、たとえばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ｎ型不純物にシラン、Ｖ族原料にアンモニアなどを用いればよい。ｎ型ＡｌＧａＮ層のＳｉ濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度にすると良い。
【００２７】
次に、ｉ型のｎ側光ガイド層３を構成するｉ−ＧａＮを５００ｎｍ成長する。さらに、活性層４を成膜する。以下に、活性層４の積層方法について説明する。Ｉｎ０．００８ＧａＮバリア層とＩｎ０．０７ＧａＮ量子井戸層の２周期からなる量子井戸活性層を成長する。まず、第一のＩｎ０．００８ＧａＮバリア層を３０ｎｍ成長する。次に、第一のＩｎ０．０７ＧａＮ量子井戸層を７．５ｎｍ成長する。続いて第二のＩｎ０．００８ＧａＮバリア層を２０ｎｍ成長したのち、第二のＩｎ０．０７ＧａＮ井戸層を７．５ｎｍ成長する。最後に、第三のＩｎ０．００８ＧａＮバリア層を３０ｎｍ成長する。ここで、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚が厚いと、バリア層における発光性再結合によって内部量子効率が低下してしまう。そこで、各バリア層の厚みは最大でも４０ｎｍ程度にとどめることが好ましい。次に、ｐ側光ガイド層５を構成するｉ−ＧａＮを５００ｎｍ積層する。
【００２８】
次に、電子障壁層６を構成するｐ−Ａｌ０．３５ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ−３）を５ｎｍ積層する。ｐ−ＡｌＧａＮ層は、たとえばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）用いてＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３となるようにすると良い。
【００２９】
さらに、ｐ−Ａｌ０．０６ＧａＮ層（膜厚１．５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）とｐ−ＧａＮ層（膜厚１．５ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）層とを交互に２２０周期、計６６０ｎｍ成長して超格子構造のｐ型クラッド層７を積層する。最後に、ｐ型コンタクト層８を構成するｐ−ＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０２０ｃｍ−３）を１０ｎｍ積層する。
【００３０】
なお、上記のような半導体積層体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。
【００３１】
次に、成長したウェハをリッジストライプ型レーザ素子に加工する。
【００３２】
まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層８の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなるＳｉＯ２絶縁膜を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ法及びフッ化水素酸を用いるエッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を幅８μｍのストライプ状に残して他の領域をエッチングする。このとき、六方晶窒化物半導体の自然へき開面（ｍ面）を利用してレーザ素子の端面を形成することを考慮して、ストライプの向きは六方晶ＧａＮのｍ軸方向に平行とする。
【００３３】
次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を用いて積層構造体の上部を上面から１．０μｍの深さでエッチングして、ｐ型コンタクト層８及びｐ型クラッド層７を含み、光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。上述のように、半導体積層体は、上面から順に１０ｎｍのｐ型コンタクト層８、６６０ｎｍのｐ型クラッド層７、５ｎｍの電子障壁層６、５００ｎｍのｐ側光ガイド層５が積層されている。そのため、半導体積層体の上面から１．０μｍ（１０００ｎｍ）の深さでエッチングすることにより、ｐ側光ガイド層５の途中までエッチングされる。すなわち、図１Ｂに示すように、ｐ側光ガイド層５は、ｐ側光ガイド層５の上面に対して平行に延びるストライプ形状の凸部と、凸部の両側に配置される平坦部とを有している。言い換えると、リッジストライプ部は、ｐ側光ガイド層５の凸部と、凸部の上に設けられた電子障壁層６と、電子障壁層６の上に設けられたｐ型クラッド層７と、ｐ型クラッド層７の上に設けられたｐ型コンタクト層８から構成される。ここで、ｐ側光ガイド層５の凸部の上に設けられた電子障壁層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層８は、平面的に見て、ｐ側光ガイド層５の凸部の上面とほぼ同一のストライプ形状をしている。なお、ｐ型クラッド層７をｐ型電極１０に直接接触して十分に電気的に接続できる場合には、ｐ型コンタクト層８は設けなくてもよい。
【００３４】
その後、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ２絶縁膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、リッジストライプ部の上面、側面を含む半導体積層体の上面の全てにわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜９を再度形成する。
【００３５】
次に、リソグラフィ法により、リッジストライプ部（光導波路２０）の上方に、該リッジストライプ部の延びる方向に沿って幅が７．５μｍの開口部を有するレジストパターンを絶縁膜９上に形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして絶縁膜９をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面に設けられたｐ型コンタクト層８を絶縁膜９から露出する。
【００３６】
次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面に露出したｐ型コンタクト層８の上に、例えば厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ電極１０を形成するための金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、リッジストライプ部の上方以外の領域の金属積層膜を除去して、ｐ電極１０を形成する。
【００３７】
次に、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、リッジストライプ部の上のｐ電極１０を覆い、例えばリッジストライプ部の延びる方向に平行な方向の平面寸法が７５０μｍで、且つリッジストライプ部の延びる方向に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍであるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる配線電極１１を、絶縁膜９の上に形成する。ここで、配線電極１１は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の金属積層膜である。なお、一般に、製造時には、複数の半導体レーザ素子がウェハの主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１１を切断すると、該配線電極１１に密着したｐ電極１０がｐ型コンタクト層８から剥がれるおそれがある。そのため、配線電極１１は互いに隣接する半導体レーザ素子同士でつながっていないことが望ましい。
【００３８】
続いて、電解めっき法により、配線電極１１の上部に、例えば厚み１０μｍのＡｕ層を形成し、パッド電極１２を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、活性層４における発熱を効果的に放熱させることができるため、窒化物半導体レーザ素子１００の信頼性を向上することができる。なお、パッド電極１２をｐ型電極１０に直接接触して十分に電気的に接続できる場合には、配線電極１１は設けなくてもよい。
【００３９】
次に、Ａｕパッド電極まで形成されたウェハ状態の窒化物半導体レーザ素子１００の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、半導体基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、半導体基板１の裏面（光導波路２０が形成された面と反対の面）に、例えば厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕからなる金属積層膜を形成することでｎ電極１５を形成する。
【００４０】
次に、ウェハ状態の窒化物半導体レーザ素子１００を、ｍ軸方向の長さが例えば８００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光が出射する劈開面に対してフロントコート膜１３を、反対の劈開面に対してリアコート膜１４を形成する。ここでフロントコート膜１３の材料としては、たとえばＳｉＯ２単層膜などの誘電体膜を用いる。また、リアコート膜１４の材料としては、例えばＺｒＯ２／ＳｉＯ２積層膜などの誘電体膜を用いる。なお、窒化物半導体レーザ素子１００のフロント側（光出射側）の反射率を例えば６％、リア側（光出射側と反対側）を例えば９５％とすることで、高効率な窒化物半導体レーザ素子１００を構成することができる。
【００４１】
続いて、１次劈開された窒化物半導体レーザ素子１００を、例えばａ軸方向の長さが２００μｍピッチで形成されている光導波路２０の間を、ａ面に沿って劈開（２次劈開）することにより、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子が完成する。
【００４２】
次に、本開示の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ側光ガイド層５の厚みを大きくしたにもかかわらず、動作電圧の上昇が抑えられていることを示すために、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と、比較例Ａ、比較例Ｂの窒化物半導体レーザ素子について動作電圧を評価した。比較例Ａ、Ｂの窒化物半導体レーザ素子は、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と異なり、電子障壁層６が活性層４とｐ側光ガイド層５との間に設けられている。さらに、比較例Ａの窒化物半導体レーザ素子では、ｎ側光ガイド層３及びｐ側光ガイド層５をＩｎ０．００５ＧａＮにより構成し、厚みを０．１μｍとした。また、リッジストライプ部を形成するためのエッチングの深さを０．６μｍとしたため、エッチングはｐ型クラッド層７の途中までエッチングされる。そのため、リッジストライプ部は、ｐ型クラッド層７に形成される凸部と、凸部の上面に形成されたｐ型コンタクト層８から構成される。一方、比較例Ｂの窒化物半導体レーザ素子では、ｎ側光ガイド層３及びｐ側光ガイド層５の厚みは、０．５μｍと実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と同じであり、リッジストライプ部を形成するためのエッチングの深さも１μｍと実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と同じである。なお、比較例Ａ、Ｂの窒化物半導体レーザ素子のその他の構成は、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と同じである。図２Ａは比較例Ａ、Ｂの窒化物半導体レーザ素子について、駆動電圧と電流との関係を計算により求めた結果である。この結果から、電子障壁層６が活性層４とｐ側光ガイド層５との間に設けられた比較例Ａ、Ｂの窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側光ガイド層の厚みを０．１μｍ（比較例Ａ）から０．５μｍ（比較例Ｂ）と大きくすると、駆動電圧、すなわち動作電圧が大きくなるという問題があることが分かる。
【００４３】
一方、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子と比較例Ａの窒化物半導体レーザ素子とを作製し、駆動電圧と窒化物半導体レーザ素子に流れる電流との関係を実験により調べたところ、図２Ｂに示す結果が得られた。電子障壁層６がｐ側光ガイド層５とｐ型クラッド層７との間に設けられた実施形態１の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側光ガイド層５の厚みが０．５μｍと大きくしても、ｐ側光ガイド層５の厚みが０．１μｍである比較例Ａの窒化物半導体レーザ素子と比べ、駆動電圧の上昇が殆ど見られないことが、図２Ｂに示す実験結果から分かった。
【００４４】
また、図３は、実施形態１と比較例Ａの半導体レーザ素子において、駆動電流を変化させた時の光出力を計算により求めた結果を示す。図３から分かるように、ｐ側光ガイド層５をＩｎを含まない組成とし、厚みを０．１μｍから０．５μｍと大きくすることにより、光出力が大きくなる。なお、この計算は、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １，  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｈａｄｉｓ  Ｍｏｒｋｏｃ，  Ｗｉｌｅｙに記載の屈折率、消衰係数及び発光再結合レートを、Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  （Ｗｉｌｅｙ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）の２章に記載の方程式を適用して発振しきい値電流およびスロープ効率を求めることにより行った。
【００４５】
図４に、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ側光ガイド層５の厚みを変化させたときの、光吸収係数と内部量子効率の計算結果を示す。計算に当たっては、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １，  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｈａｄｉｓ  Ｍｏｒｋｏｃ，  Ｗｉｌｅｙに記載の屈折率、消衰係数及び発光再結合レートを利用した。図４から分かるように、ｐ側光ガイド層５を厚くすると、光吸収係数が低下する。これは、積層方向に分布する導波光が、光吸収が少ないｉ層を伝播するためである。また、内部量子効率はｐ側光ガイド層５の厚みが大きくなると低下する。これは、ｐ側光ガイド層５での発光再結合が膜厚と共に増加するためであり、ＩｎＧａＮをｐ側光ガイド層に用いる場合よりも緩やかなものの、発光再結合自体はゼロに出来ないためである。
【００４６】
次に、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率を、以下の式（１）にしたがって計算した結果を図５に示す。
ＳＥ＝（ｈ・ν／ｑ）×ηｉ×αｍ／（αｉ＋αｍ）      ・・・  （１）
ここで、ｈはプランク定数、νはレーザ光の周波数、ｑは電気素量であり、αｍはミラー損失である。なお、ミラー損失αｍは、共振器内部から外部へと放射されることで失われる光を表し、以下の式（２）で示される。
αｍ＝１／（２×Ｌ）×｛１／ｌｎ（Ｒｆ×Ｒｒ）｝        ・・・  （２）
図５から分かるように、ｐ側光ガイド層５の厚みが厚くなるにしたがい光損失が低下するためにスロープ効率が増加するが、ｐ側光ガイド層５の厚みが０．３μｍとなる場合をピークとして、それよりも厚くなるとと逆にスロープ効率が低下する。これは、ｐ側光ガイド層５が厚すぎると発光再結合による内部量子効率低下を無視できないためである。照明などの高効率光源では、レーザのスロープ効率は２Ｗ／Ａ以上であることが好ましい。そこで、ｐ側光ガイド層５の厚みは０．２５μｍ以上、より好ましくは０．３０μｍ以上である。ｐ側光ガイド層５を形成するうえで注意が必要となるのは、ｐ側光ガイド層５には、発光性再結合の起源となるＩｎをできるだけ含まないようにすることである。積層構造を形成する際に、原料の切り替えなどの理由によって、Ｉｎ原料の供給を止めても、微量のＩｎが混入してしまうことがある。そのため、適時成長中断をとりＩｎが混入しないように注意を払うことが肝要である。発明者らの検討によれば、やむを得ずＩｎが若干混入してしまう場合、そのＩｎ組成が０．５％を超えると急激に発光性再結合が増大して内部量子効率の低下を招く。そこで、Ｉｎが混入した場合でも、Ｉｎ組成を０．５％以下とすることにより、内部量子効率の低下を抑制することができる。また、ｐ側光ガイド層５を、ｐ型ドーピングしても良い。この場合、ドーピング濃度が高いと自由キャリア吸収と呼ばれる、ｐ型ドープ層で生じる光吸収を考慮する必要がある。キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３を超えると特に光吸収が増大する。そのため、光吸収を十分に小さく保つためには、キャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下のごく低量のドープにとどめることが好ましい。
【００４７】
なお、実施形態１では、発光波長が青紫領域の窒化物半導体レーザ素子について説明を行ったが、フロント側の反射率を低減させることで発光スペクトル幅を広げ、スペックルノイズを低減させた発光波長が青紫領域のスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。さらに、活性層のＩｎ組成を１６％程度に増加させることで、波長を４４５ｎｍの青色波長とした青色半導体レーザまたはスーパールミネッセントダイオードとしてもよい。
【００４８】
（実施形態２）
以下、実施形態２の半導体レーザ素子について説明する。本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００とくらべ、ｐ側光ガイド層５の材料をＡｌを１％含むＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎとした点以外は同一であり、製造方法も、ｐ側光ガイド層５をＧａＮからＡｌＧａＮへと変更した点以外は同一である。そのため、本実施形態を説明する構造図は省略する。
【００４９】
実施形態２の半導体レーザ素子を作成する工程は、実施形態１の半導体レーザを作成する工程において、ｐ側光ガイド層５を変更すればよい。すなわち、実施形態１の半導体レーザを作成する工程において、ＧａＮを成長する代わりに、ＡｌＧａＮを成長する。ＡｌＧａＮは、ＧａＮに比べて発光効率が低くなるために、ＡｌＧａＮをｐ側光ガイド層５に用いることで、内部量子効率をさらに増加させる事が可能となる。
【００５０】
次に、実施形態２の窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率を、図５の場合と同様に計算した結果を図６に示す。図６には、図５に示した実施形態１の結果についても破線で記載した。図６から分かるように、実施形態２の窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率は、実施形態１と同様の傾向を示すが、Ａｌを含むｐ側光ガイド層５を有する実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の方が実施形態１よりもスロープ効率が高くなる。また、実施形態１と実施形態２の窒化物半導体レーザ素子について、駆動電流を変化させた時の光出力を計算により求めた結果を図７に示す。図７から分かるように、駆動電流が大きくなると、Ａｌを含むｐ側光ガイド層を有する実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の方が実施形態１よりも光出力が大きくなる。これは、図６に示すように、実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の方が実施形態１よりもスロープ効率が高いためである。
【００５１】
なお、実施形態２において、ｐ側光ガイド層のＡｌ組成はｐ型クラッド層よりも小さく、２％以下、より好ましくは１％以下までに留めることが好ましい。これは、Ａｌ組成が高くなると、導波光の積層方向への閉じ込め係数が低下して、発振しきい値の増大をもたらすためである。
【００５２】
（実施形態３）
以下、実施形態３の窒化物半導体レーザ素子について説明する。図８Ａは、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子２００を上面方向から見た上面模式図である。図８Ｂは、窒化物半導体レーザ素子２００を図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線に沿って紙面に垂直な方向に切断した断面模式図である。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子２００では、リッジストライプ部の側面およびリッジストライプの両側のエッチングされた領域（平坦部）の上面に、高抵抗領域２１が形成されている。高抵抗領域２１の抵抗値は、リッジストライプ部の内部の抵抗値またはリッジストライプ部の両側の平坦部の高抵抗領域２１よりも下側の領域の抵抗値よりも高い。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子２００は、上記の点において、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００と異なっており、他の構成については、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００と同様である。
【００５３】
高抵抗領域２１を形成することの意義は、以下の通りである。実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００における、リッジストライプを形成するためのエッチング工程において、エッチング領域の半導体積層体の表面にダメージ領域が形成される。このダメージ領域には、電子トラップとして機能する欠陥が多く存在するために、電流リークが生じ、一定駆動電流下における光出力の低下をもたらす。さらに、電流リークによって発熱が生じるため、ダメージ領域の拡大や、ダメージ領域内の欠陥の増加を引き起こす。その結果、電流リークがさらに増加して光出力が低下するという悪循環に陥ることがある。そのため、エッチング領域の半導体積層体の表面のダメージ領域を高抵抗化することで、電子トラップに捕獲される電子を低減してリーク電流を減らすことができる。その結果、光出力の低下を抑制し、窒化物半導体レーザ素子の信頼性を向上することが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子２００では、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００と同様に、リッジストライプ部が、ｐ側光ガイド層５の凸部と、凸部の上に設けられた電子障壁層６と、電子障壁層６の上に設けられたｐ型クラッド層７と、ｐ型クラッド層７の上に設けられたｐ型コンタクト層８から構成されている。ここで、リッジストライプ部の側面において、少なくとも電子障壁層６が高抵抗領域２１を有していることが好ましい。リッジストライプ部の側面近傍において、電子障壁層６の電流リークが抑制されることにより、活性層４におけるキャリア分布の偏りが抑制される。これにより、キャリアの集中による局所的な劣化が抑制されるため、窒化物半導体レーザ素子の信頼性を向上することが可能となる。
【００５５】
本実施形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の製造方法を以下に説明する。基板上に積層構造を形成し、エッチングによりリッジストライプ部を形成する工程までは、実施形態１と同様である。つぎに、リッジストライプ部の側面及びリッジストライプ部の両側の平坦部の表面を選択的に高抵抗化する。
【００５６】
高抵抗化手法の一例として、Ｆｅ（鉄）をリッジストライプ部の側面およびリッジストライプ部の両側の平坦部表面に選択的にイオン注入することが挙げられる。ここで、注入領域のピークイオン濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。また、イオン注入により形成された高抵抗領域２１の厚さは１０ｎｍ以上であることが好ましい。さらに、注入するイオン種は、半導体層を高抵抗化することができる材料であれば、Ｆｅ以外の材料であってもよい。そのような材料の例としては、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ（窒素）、Ｆ（フッ素）、Ｂ（ホウ素）などがある。このようにして、半導体積層体を構成する窒化物半導体に加えて、Ｆｅ、Ａｒ、Ｎ、Ｆ、Ｂの少なくとも１つの元素を含む高抵抗領域２１が形成される。
【００５７】
高抵抗化の別の手法として、リッジストライプ部の側面及びリッジストライプ部の両側の平坦部表面の選択酸化がある。選択酸化する方法として、水蒸気雰囲気で温度８００℃以上にまで加熱する水蒸気酸化や、酸素を含む雰囲気で同様に８００℃以上にまで加熱する手法を用いることができる。また、窒素を含む雰囲気で同様に８００℃以上にまで加熱する手法を用いることにより、選択窒化して高抵抗化することもできる。このようにして、半導体積層体を構成する窒化物半導体の酸化物または窒化物を含む高抵抗領域２１が形成される。
【００５８】
なお、高抵抗領域２１としては、イオン注入や選択酸化等の高抵抗化手段によって形成されるものに限られず、高い抵抗値を持つ材料を成膜することにより形成してもよい。また、高抵抗領域２１は、リッジストライプ部の側面およびリッジストライプ部の両側の平坦部の上面に形成されているが、リッジストライプ部の側面のみ形成してもよい。
【００５９】
リッジストライプの側面及びリッジストライプの両側の平坦部表面を高抵抗化した上記工程の後は、実施形態１と同様の方法を用いて、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子２００を形成する。
【００６０】
図９に、実施形態３で作製した窒化物半導体レーザ素子２００の信頼性試験の結果を、実施形態１で作製した窒化物半導体レーザ素子１００の結果と共に示す。図９の横軸はエージング時間を示し、縦軸は光出力を示している。信頼性試験の条件は、初期光出力２．５Ｗ、素子搭載パッケージ温度２５℃である。図９の実線が実施形態３の半導体レーザ素子２００、破線が実施形態１の半導体レーザ素子１００のエージング時間に対する光出力の変化を示している。図９に示すように、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子１００では、１０００時間で０．５Ｗ程度の光出力低下が見られたが、実施形態３の窒化物半導体レーザ素子２００では、１０００時間経過時においてもほとんど光出力の低下は見られなかった。このことから、高抵抗領域２１を設けることにより、長時間動作時の光出力低下が抑制され、窒化物半導体レーザ素子の信頼性を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本開示に係る窒化物半導体レーザ素子は、例えば、レーザディスプレイ、液晶バックライト、車両用ヘッドライト、手術用のレーザメスや溶接用途等に用いることができ、有用である。
【符号の説明】
【００６２】
２    ｎ型クラッド層
３    ｎ側光ガイド層
４    活性層
５    ｐ側光ガイド層
６    電子障壁層
７    ｐ型クラッド層
２１    高抵抗領域
１００    窒化物半導体レーザ素子
２００    窒化物半導体レーザ素子
【図１Ａ】
2017017928.tif 000003
【図１Ｂ】
2017017928.tif 000004
【図２Ａ】
2017017928.tif 000005
【図２Ｂ】
2017017928.tif 000006
【図３】
2017017928.tif 000007
【図４】
2017017928.tif 000008
【図５】
2017017928.tif 000009
【図６】
2017017928.tif 000010
【図７】
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【図８Ａ】
2017017928.tif 000012
【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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