(57)【要約】【課題】  窒化物半導体層を用いた青紫色半導体レーザ素子において、低閾値電流かつ高出力動作を可能とする高寿命の半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  GaN基板１上にｎ型GaN層２、ｎ型AlGaNクラッド層３、第１のｎ型GaNガイド層４及びｐ型AlGaNブロック層６（電流阻止層）が順次形成され、さらにｐ型AlGaNブロック層６の一部にストライプ状の開口部が形成されており、この開口部を覆う形で第２のｎ型GaNガイド層５が形成され、その上にInGaN多重量子井戸活性層７、アンドープGaNガイド層８、ｐ型AlGaN電子障壁層９、ｐ型AlGaNクラッド層１０及びｐ型GaNコンタクト層１１が順次形成されている。【選択図】        図１
2006041490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された、開口部が設けられたｐ型または半絶縁性の電流阻止層と、
少なくとも前記開口部内に形成された、ｎ型の半導体層と、
前記電流阻止層の上に形成された発光層とを備える
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記半導体層は、最上面が平坦であり、
前記発光層は、前記半導体層と接するように前記半導体層の上に形成される
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記電流阻止層は、前記半導体層よりも小さな屈折率を有する
ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記電流阻止層は、複数種類の不純物が添加された部分を有する
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流阻止層は、組成の異なる複数の層から構成される
ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記半導体層は、第１半導体層と、前記第１半導体層と接するように、前記第１半導体層の上に形成された第２半導体層とから構成され、
前記第１半導体層は、前記電流阻止層と前記基板との間に形成され、
前記第２半導体層は、前記開口部と、前記電流阻止層と前記発光層との間とに形成され、
前記第１半導体層における不純物濃度は、前記発光層側の方が前記基板側よりも大きい
ことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１半導体層の組成と前記第２半導体層の組成とは、異なる
ことを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層の不純物の濃度分布は、前記第１半導体層及び第２半導体層の界面にピークが位置する分布である
ことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記発光層及び前記半導体層は、窒素を含む化合物半導体により構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記電流阻止層には、Mgが添加されている
ことを特徴とする請求項９記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記電流阻止層のMg濃度は、1×1019cm-3以下である
ことを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記半導体層は、GaNにより構成されている
ことを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記発光層は、InGaAlNにより構成され、
前記発光層のAl組成は、前記電流阻止層の上方に位置する部分の方が前記開口部の上方に位置する部分より大きい
ことを特徴とする請求項１２記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記発光層のIn組成は、前記電流阻止層の上方に位置する部分の方が前記開口部の上方に位置する部分より小さい
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第１半導体層は、InxGa1-xN(0≦x≦1)により構成され、
前記第２半導体層は、GaNにより構成されている
ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記電流阻止層は、第１のAlxGa1-xN(0≦x≦1)層と、前記第１のAlxGa1-xN層上に形成された第２のAlyGa1-yN(0≦ｙ≦1、但しｘ＜ｙ)層とから構成されている
ことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記電流阻止層は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)により構成されている
ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記半導体層は、クラッド層として機能し、
前記半導体レーザ素子は、さらに、前記発光層と前記クラッド層との間に形成されたInxGa1-xN(0≦x≦1)により構成される光ガイド層を備える
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記光ガイド層は、InGaNとGaNとが周期的に配置された周期構造を有する
ことを特徴とする請求項１８記載の半導体レーザ素子。
【請求項２０】
基板上に第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
前記第１半導体層上に電流阻止層を形成する電流阻止層形成工程と、
前記電流阻止層に開口部を形成する開口部形成工程と、
前記開口部上に第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、
前記第２の半導体層上に発光層を形成する発光層形成工程とを含む
ことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２１】
前記第２半導体層形成において、上方の表面が平坦となるように前記第２半導体層を形成し、
前記発光層形成工程において、前記第２半導体層の平坦な表面上に前記発光層を形成する
ことを特徴とする請求項２０記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２２】
前記第２半導体層形成において、エッチング又は研磨により前記第２半導体層表面を平坦化する
ことを特徴とする請求項２１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２３】
前記電流阻止層は、ｐ型または半絶縁性の導電型を有し、
前記電流阻止層形成工程において、前記第１半導体層上に不純物を添加して前記電流阻止層の一部を形成した後、前記電流阻止層の一部上に不純物を添加せずに前記電流阻止層の他部を形成する
ことを特徴とする請求項２２記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２４】
前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、窒素を含む化合物半導体により構成されている
ことを特徴とする請求項２３記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２５】
前記半導体レーザ素子の製造方法は、さらに、前記発光層と前記第２半導体層との間に、InGaNとGaNとを周期的に配置して光ガイド層を形成する光ガイド層形成工程を含み、
前記光ガイド層形成工程において、前記InGaNを前記GaNよりも低温で結晶成長させて光ガイド層を形成する
ことを特徴とする請求項２４記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高密度光ディスクの書き込み・読み出し用光源に使用できる青紫色半導体レーザ素子に適用できる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III-V族化合物半導体レーザ素子はCD(Compact Disk)やDVD(Digital Versatile Disk)などの光ディスクの読み出し・書き込み用光源として広く使用されている。光ディスクの高密度化に伴い、光源の波長を短波長化する必要があり、これまでに赤外領域の780nmから赤色領域の650nmへと移行してきた。さらなる高密度化を実現するためにはより短波長の光源が必要であり、これを実現できる材料として期待されているのがGaN系III-V族窒化物半導体(InGaAlNと表記)である。これまでに数10mW出力の青紫色レーザ素子が既に商品化されており、次世代高密度光ディスクシステム(Blu-ray Disc)の実用化に向け、研究開発が盛んに行われている。光ディスクシステムにおいてはその高速書き込み動作のために、光源の高出力化が必要不可欠であり、GaN系III-V族窒化物半導体から構成されるGaN系半導体レーザ素子の高出力化に向けての研究開発も活発に行われている。
【０００３】
通常、光ディスクシステムに用いられる半導体レーザ素子は、発光を生じる活性層に近接して位置し、光を閉じ込めるストライプ状の導波路と、へき開により形成される共振器ミラーとを有している。このような半導体レーザ素子の高出力化を阻害する要因としては端面破壊、空間的ホールバーニングによるキンク（電流−光出力特性において観測）、発熱による出力飽和などが考えられ、これまでの赤外・赤色半導体レーザ素子ではこれらの課題を解決し高出力化が進められてきた。一方、次世代用として期待される現状のGaN系青紫色半導体レーザ素子においては、端面破壊や放熱の問題よりもむしろ、主にキンクレベルを上げるための導波路構造開発が最大の課題であり、導波路構造の寸法設計及びその制御により高出力化開発が進められている。
【０００４】
以下、これまでに報告のある、高出力赤外半導体レーザ素子のレーザ構造及びこの高出力赤外半導体レーザ素子のレーザ構造をGaN系青紫色半導体レーザ素子に適用した例について説明する。
【０００５】
図５は従来例におけるGaAs系赤外半導体レーザ素子のレーザ構造を示す断面図である。
このGaAs系赤外半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板２３と、ｎ型AlGaAsクラッド層２４と、アンドープAlGaAs活性層２５と、第１のｐ型AlGaAsクラッド層２６と、ｎ型AlGaAsブロック層２７と、第２のｐ型AlGaAsクラッド層２８と、ｐ型GaAsコンタクト層２９と、AuGeNi/Auオーミック電極３０と、Ti/Pt/Auオーミック電極３１とから構成される。
【０００６】
このGaAs系赤外半導体レーザ素子においては、エピタキシャル再成長技術を用い、AlGaAsあるいはGaAsの混晶比を精密に制御することで導波路での光閉じ込めを制御し、高出力動作が実現されている。ｎ型GaAs基板２３上にｎ型AlGaAsクラッド層２４、アンドープAlGaAs活性層２５、ｐ型AlGaAsクラッド層の一部、つまり第１のｐ型AlGaAsクラッド層２６が順次形成されている。第１のｐ型AlGaAsクラッド層２６上にはｎ型AlGaAsブロック層２７がストライプ状の開口部を有する形で形成され、開口部上には残りのｐ型AlGaAsクラッド層、つまり第２のｐ型AlGaAsクラッド層２８及びｐ型GaAsコンタクト層２９が形成されている。ｎ型GaAs基板２３裏面上にはAuGeNi/Auオーミック電極３０が形成され、ｐ型GaAsコンタクト層２９上にはTi/Pt/Auオーミック電極３１が形成されている。再成長により形成された第２のｐ型AlGaAsクラッド層２８の屈折率がｎ型AlGaAsブロック層２７の屈折率よりも大きくなり、光がストライプ部分に閉じ込められる。このとき、ｎ型AlGaAsブロック層２７部分では光吸収がなく、内部損失の小さな実屈折率導波型構造となるため、低閾値電流かつ高出力動作が実現される(特許文献１及び非特許文献１参照)。
【０００７】
図６は高出力GaAs系赤外半導体レーザ素子のレーザ構造をGaN系青紫色半導体レーザ素子に適用した例におけるレーザ構造を説明するためのGaN系青紫色半導体レーザ素子の断面図であり、例えば特許文献２、３などに記載されている。
【０００８】
このGaN系青紫色半導体レーザ素子は、ｎ型GaN層２と、ｎ型AlGaNクラッド層３と、InGaN多重量子井戸活性層７と、ｐ型GaNコンタクト層１１と、Ti/Al/Ni/Auオーミック電極１２と、Ti/Auパッド電極１４と、サファイア基板１６と、Ni/Au電極３２と、第１のｐ型AlGaNクラッド層３３と、ｎ型AlGaNブロック層３４と、第２のｐ型AlGaNクラッド層３５とから構成される。
【０００９】
このGaN系青紫色半導体レーザ素子においては、図５に示すGaAs系赤外半導体レーザ素子と同様にｐ型クラッド層の一部の上にｐ型クラッド層を再成長させており、AlGaNの混晶比を精密に制御することで導波路での光閉じ込めを制御し、低閾値電流及び高出力動作を実現することが可能である。
【特許文献１】特開平４−３７０９９３号公報
【特許文献２】特開平８−９７５０７号公報
【特許文献３】特開平１０−２７９４７号公報
【非特許文献１】I O.Imafuji et al., IEEE J. Quantum Electron. QE-29 (1993) p.1889参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図６に示す再成長工程を有するGaN系青紫色半導体レーザ素子及びその製造方法では、再成長界面付近でｐ型AlGaN層に含まれるMg濃度が大きくあるいは小さくなるなどの濃度分布が生じてしまう。ｐ型AlGaN層では抵抗率がMg濃度に依存し、その濃度が5×1019cm-3程度を超えると急に高抵抗になるため、界面付近にてMgが再分布することで、結果として界面で高抵抗部分が形成される。従って、GaN系青紫色半導体レーザ素子及びその製造方法では、直列抵抗が大きくまた動作電圧が高くなってしまうという課題がある。すなわち、動作電圧が高いため、消費電力が大きく結果として長寿命化が困難であるという課題がある。このような背景から、これまでのGaN系青紫色レーザ素子では再成長工程を用いず、ｐ型層までのエピタキシャル成長を行った後にｐ型AlGaNクラッド層に凸部を形成し、例えばその周辺部にSiO2パッシベーション膜を形成し、そのSiO2パッシベーション膜とｐ型AlGaNクラッド層との屈折率差により光を閉じ込めて導波路を形成するレーザ構造の半導体レーザ素子が報告されている。
【００１１】
本発明は前述の技術的課題に鑑み、低閾値電流かつ高出力動作を可能とする高寿命の半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するために、本発明の半導体レーザ素子は以下に述べる構成となっている。
【００１３】
即ち、本発明の半導体レーザ素子は、基板と、前記基板の上に形成された、開口部が設けられたｐ型または半絶縁性の電流阻止層と、少なくとも前記開口部内に形成された、ｎ型の半導体層と、前記電流阻止層の上に形成された発光層とを備えることを特徴とする。
【００１４】
このような構成とすることにより、基板にｎ型を使用した場合には電流阻止層をｐ型とし、半導体層をｎ型とすることで、ｎ型半導体層上へのｎ型半導体層の再成長により半導体レーザ素子を形成できるので、再成長界面での界面抵抗を低減でき、直列抵抗が小さく低電圧動作の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。また、光の内部損失の小さな実屈折率導波型構造とすることができるため、低閾値電流かつ高出力動作が実現される。
【００１５】
具体的には、本発明のGaN系半導体レーザ装置は、基板上に第１のｎ型GaNガイド層、ｐ型AlGaNブロック層（電流阻止層）が形成され、さらにｐ型AlGaNブロック層の一部にストライプ状の開口部が形成されており、この開口部を覆う形で第２のｎ型GaNガイド層、InGaN多重量子井戸活性層が形成された構成となっている。
【００１６】
このような構成とすることにより、ｐ型AlGaNブロック層及び第２のｎ型GaNガイド層の２層の屈折率差により第２のｎ型GaNガイド層側に光が閉じ込められ、ストライプ状にエッチングされて形成されるｐ型AlGaNブロック層の開口部内の第２のｎ型GaNガイド層が埋め込まれた部分は、青紫色半導体レーザ素子の導波路を形成する。このとき、第１のｎ型GaNガイド層上に第２のｎ型GaNガイド層を再成長させることにより、ｐ型層上にｐ型層を再成長する場合に比べて再成長界面での抵抗を小さくし、またリッジ型半導体レーザ素子と比較してｐ型GaN層上の電極面積を大きくできるので、直列抵抗が小さくなり、低電圧動作を実現することが可能となる。また、ストライプ状の開口部内部での第２のｎ型GaNガイド層とｐ型AlGaNブロック層との屈折率差をｐ型AlGaNブロック層のAl組成を変化させることにより、屈折率差を10-3台で精密に制御することができるので、高出力動作時の電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モードレーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。さらに、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の半導体レーザ素子に同構造を適用した場合には、同半導体レーザ素子の設計マージンを大きくすることができる。
【００１７】
前記半導体層は、最上面が平坦であり、前記発光層は、前記半導体層と接するように前記半導体層の上に形成されることが好ましい。
【００１８】
このような構成とすることにより、発光層が形成される半導体層の面内に段差や凹凸がないので、水平拡がり角の再現性が向上するので、光ディスクシステム等の光源として用いられた場合に、再現性良く遠視野像（Far Field Pattern）を得ることが可能となる。
【００１９】
前記電流阻止層は、前記半導体層よりも小さな屈折率を有することが好ましい。
このような構成とすることにより、ストライプ状の開口部を有する電流阻止層と光ガイド層との屈折率差により開口部の内部に光を閉じ込めて半導体レーザ素子の導波路を形成できる。そして、電流阻止層の膜組成を変化させることにより、屈折率差を10-3台で精密に制御することができるので、高出力動作時の電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モードレーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。また、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の半導体レーザ素子に同構造を適用した場合には、同半導体レーザ素子の設計マージンを大きくすることができる。
【００２０】
前記電流阻止層は、複数種類の不純物が添加された部分を有することが好ましい。
このような構成とすることにより、電流阻止層での吸収による光の損失を電気的な分離を保ちつつ制御することができるので、高出力あるいは低雑音の半導体レーザ素子の設計マージンを拡大することが可能となる。
【００２１】
前記電流阻止層は、組成の異なる複数の層から構成されることが好ましい。
このような構成とすることにより、例えば電流阻止層をAlGaNにて構成した場合にその最上層をAl組成の大きなAlGaNにて構成し、例えば電流阻止層上方の光ガイド層あるいは活性層へのｐ型不純物であるMgの拡散を抑制できるので、発光効率を向上させ、低動作電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記半導体層内において、前記電流阻止層に添加された不純物の濃度が1016cm-3以下である構成となっていることが好ましい。
【００２３】
このような構成とすることにより、活性層への不純物拡散を抑制し、発光効率を向上させ、低動作電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００２４】
前記半導体層は、第１半導体層と、前記第１半導体層と接するように、前記第１半導体層の上に形成された第２半導体層とから構成され、前記第１半導体層は、前記電流阻止層と前記基板との間に形成され、前記第２半導体層は、前記開口部と、前記電流阻止層と前記発光層との間とに形成され、前記第１半導体層における不純物濃度は、前記発光層側の方が前記基板側よりも大きいことが好ましい。
【００２５】
このような構成とすることにより、開口部を介した再成長が行われる第１半導体層表面で不純物濃度が大きくなる。その結果、再成長時に不純物の再分布により不純物が少なくキャリア濃度の小さな部分が形成されることなく、結果として再成長界面での界面抵抗をより低減でき、直列抵抗が小さく低電圧動作の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００２６】
前記第１半導体層の組成と前記第２半導体層の組成とは、異なることが好ましい。
このような構成とすることにより、例えば電流阻止層をAlGaNにて構成した場合にその最上層をAl組成の大きなAlGaNとし、例えば上方の光ガイド層あるいは活性層へのｐ型不純物であるMgの拡散を抑制し、発光効率を向上させ、低動作電流の半導体レーザを実現することが可能となる。また、垂直方向の光閉じ込め係数を大きくでき、低閾値電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００２７】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層の不純物の濃度分布は、前記第１半導体層及び第２半導体層の界面にピークが位置する分布であることが好ましい。
【００２８】
このような構成とすることにより、第１半導体層及び第２半導体層をそれぞれ例えばSiドープのGaNあるいはInGaNで構成し、第１半導体層最表面でSi濃度が大きくなるようにSiドープ量を調整して結晶成長させた場合には、再成長界面付近でSi濃度分布にピークを有する形で第１半導体層及び第２半導体層を形成でき、結果として界面抵抗を低減でき、直列抵抗及び動作電圧の小さな半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００２９】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記電流阻止層の開口部が、前記半導体レーザ素子を構成する半導体層において、結晶欠陥密度が107cm-2以下である部分の上方に形成されていることを特徴とする構成となっていることが好ましい。
【００３０】
このような構成とすることにより、半導体レーザ素子の活性層及び導波路を結晶欠陥密度が107cm-2以下である部分に形成することができるので、より長寿命の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００３１】
前記発光層及び前記半導体層は、窒素を含む化合物半導体により構成されていることが好ましい。
【００３２】
このような構成とすることにより、直列抵抗が小さく、低電圧動作で長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００３３】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記半導体層にSiが添加されている構成となっていることが好ましい。
【００３４】
このような構成とすることにより、Siを不純物として含むｎ型層上にSiを不純物として含むｎ型層を再成長させることで例えばGaN系半導体レーザ素子を形成することができる。従って、低抵抗のｎ型GaN系半導体層を用いて半導体レーザ素子を形成でき、直列抵抗が小さく低電圧動作の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００３５】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記Si濃度分布においてSi濃度が1×1018cm-3以上の部分を含む構成となっていることが好ましい。
【００３６】
このような構成とすることにより、より直列抵抗及び動作電圧の小さい半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００３７】
前記電流阻止層には、Mgが添加されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、例えばGaN系半導体レーザ素子において、大きなキャリア濃度を有するｐ型GaN系半導体層を電流阻止層として用いることができるので、電流を電流阻止層の開口部部分に狭窄することができる。また、電流阻止層の膜組成を変化させることにより、屈折率差を10-3台で精密に制御することができるので、高出力動作時の電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モード青紫色半導体レーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。また、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の青紫色半導体レーザ素子に同構造を適用した場合においても、同レーザの設計マージンを大きくすることができる。
【００３８】
前記電流阻止層のMg濃度は、1×1019cm-3以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、例えば、ｐ型GaN層あるいはｐ型AlGaN層中で発生する点欠陥が抑制できるので、電流阻止層の上方に形成される活性層の結晶性を向上させると共に、活性層へのMg拡散濃度を抑制し、結果として活性層の発光効率を改善し、低動作電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００３９】
前記半導体層は、GaNにより構成されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、電流阻止層をAlGaNにて構成した場合には、電流阻止層を構成するAlGaNは半導体層を構成するGaNよりも屈折率が小さくなるので、電流を電流阻止層の開口部の部分に狭窄することができる。また、電流阻止層のAl組成を制御することにより屈折率差を10-3台で精密に制御することができるので、高出力青紫色半導体レーザ素子及び低雑音の青紫色半導体レーザ素子を得るための設計マージンを大きくすることができる。
【００４０】
前記発光層は、InGaAlNにより構成され、前記発光層のAl組成は、前記電流阻止層の上方に位置するの方が前記開口部の上方に位置する部分より大きいことが好ましい。
【００４１】
このような構成とすることにより、例えばAlGaNによる多重量子井戸構造の発光層を有する青紫色半導体レーザ素子をMOCVD法により形成し、電流阻止層の開口部からの再成長により光ガイド層及び発光層を形成する場合には、埋め込み再成長に際し、Gaが開口部付近でマイグレーションし、結果として開口部近傍にて発光層のAl組成は小さくなる。従って、開口部上方での発光層にて光が閉じ込められやすい構成になり、より薄い電流阻止層でも十分大きな光閉じ込めを実現でき、低閾値の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００４２】
前記発光層のIn組成は、前記電流阻止層の上方に位置する部分の方が前記開口部の上方に位置する部分より小さいことが好ましい。
【００４３】
このような構成とすることにより、例えばInGaNによる多重量子井戸構造の発光層を有する青紫色半導体レーザ素子をMOCVD法により形成し、電流阻止層の開口部からの再成長により光ガイド層及び発光層を形成する場合には、埋め込み再成長に際し、Inが開口部付近でマイグレーションし、結果として開口部近傍にて発光層のIn組成は大きくなる。従って、少ないIn原料でより長波長の半導体レーザ素子を形成できる。また、電流阻止層上ではIn組成は少なくなり、下地のAlGaNあるいはGaNとの格子不整合をより小さくできるので、より結晶欠陥の少ない発光層を実現することが可能となる。
【００４４】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記電流阻止層にMg及びSiが含まれている構成となっていることが好ましい。
【００４５】
このような構成とすることにより、Mg及びSiの共ドープにより、電流阻止層での吸収による損失を電気的な分離を保ちつつ制御し、高出力及び低雑音の半導体レーザ素子の設計マージンを拡大することが可能となる。
【００４６】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記基板がサファイア、SiC、GaN、AlN、MgO、LiGaO2、LiAlO2、LiGaO2及びLiAlO2混晶のうちいずれかにより構成されていることが好ましい。
【００４７】
このような構成とすることにより、基板上に結晶性に優れたGaN系半導体エピタキシャル成長層を形成できるので、より直列抵抗が小さく低電圧動作の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００４８】
前記第１半導体層は、InxGa1-xN(0≦x≦1)により構成され、前記第２半導体層は、GaNにより構成されていることが好ましい。
【００４９】
このような構成とすることにより、InGaNはGaNよりも屈折率が大きいために、半導体層にInGaNを用いることで垂直方向の光閉じ込め係数を大きくでき、低閾値電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００５０】
前記電流阻止層は、第１のAlxGa1-xN(0≦x≦1)層と、前記第１のAlxGa1-xN層上に形成された第２のAlyGa1-yN(0≦ｙ≦1、但しｘ＜ｙ)層とから構成されていることが好ましい。
【００５１】
このような構成とすることにより、例えば前記第１のAlGaN層あるいは第２のAlGaN層のAl組成を大きくすることでAl組成の小さなAlGaN層に添加されたMgの拡散を抑制することができる。そのため、活性層にMgが拡散するのを抑制して発光効率を向上させ、低動作電流の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００５２】
前記電流阻止層は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)により構成されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、電流阻止層の開口部内に形成された半導体層が例えばGaNあるいはInGaNで構成される場合には、電流阻止層を構成するAlGaNは半導体層を構成する材料よりも屈折率が小さくなるので、電流を電流阻止層の開口部の部分に狭窄することができる。また、電流阻止層のAl組成を制御することによりその屈折率差を10-3台で精密に制御することができるので、高出力動作時の電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モード青紫色半導体レーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。また、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の青紫色半導体レーザ素子に同構造を適用した場合においても、同レーザの設計マージンを大きくすることができる。
【００５３】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記発光層がInxGa1-xN(0≦x≦1)からなる量子井戸を有する多重量子井戸により構成されていることが好ましい。
【００５４】
このような構成とすることにより、半導体レーザ素子を構成する発光層の利得・発光効率を十分に大きくできるので、例えば低閾値電流・低動作電流の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００５５】
前記半導体層は、クラッド層として機能し、前記半導体レーザ素子は、さらに、前記発光層と前記クラッド層との間に形成されたInxGa1-xN(0≦x≦1)により構成される光ガイド層を備えることが好ましい。
【００５６】
このような構成とすることにより、電流阻止層をAlGaNにて構成した場合に、少ないAl組成で十分大きな電流阻止層と光ガイド層との間の屈折率差を得ることができる。一般に高Al組成のAlGaN層をエピタキシャル成長により形成する際には、成長速度が遅いあるいはクラックが発生しやすいという課題があるが、これを解決でき、高速で膜中にクラックの生じにくい電流阻止層を形成することが可能となる。
【００５７】
前記光ガイド層は、InGaNとGaNとが周期的に配置された周期構造を有することが好ましい。
【００５８】
このような構成とすることにより、InGaN光ガイド層を形成する際に課題であったIn偏析による結晶性劣化の課題を解決し、結果としてInGaN光ガイド層での内部損失を低減し、低閾値電流を有する青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００５９】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記半導体層の下方に前記半導体層よりも禁制帯幅の大きなクラッド層が形成される構成となっていることが好ましい。
【００６０】
このような構成とすることにより、半導体層下方に形成されたクラッド層は屈折率が小さく、発光層での垂直光閉じ込め係数を大きくできるので、結果として低閾値電流を有する青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００６１】
本発明の半導体レーザ素子は、さらに前記クラッド層がAlxGa1-xN(0≦x≦1)により構成されていることが好ましい。
【００６２】
このような構成とすることにより、半導体レーザ素子の導波路においてクラッド層上部に構成される光ガイド層がGaNあるいはInGaNで構成される場合には、AlGaNはこれらよりも屈折率が小さいため、発光層での垂直光閉じ込め係数を大きくすることができる。また、クラッド層のAl組成及びAlGaN膜厚の制御によりこの光閉じ込め係数を精密に制御でき、再現性良く低閾値電流を有する青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００６３】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、前記第１半導体層上に電流阻止層を形成する電流阻止層形成工程と、前記電流阻止層に開口部を形成する開口部形成工程と、前記開口部上に第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と、前記第２の半導体層上に発光層を形成する発光層形成工程とを含むことを特徴とする。
【００６４】
このような構成とすることにより、基板にｎ型を使用した場合には電流阻止層をｐ型とし、第１半導体及び第２半導体層をｎ型とすることで、ｎ型半導体層上へのｎ型半導体層の再成長により半導体レーザ素子を形成できるので、再成長界面での界面抵抗を低減でき、直列抵抗が小さく低電圧動作の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００６５】
前記第２半導体層形成において、上方の表面が平坦となるように前記第２半導体層を形成し、前記発光層形成工程において、前記第２半導体層の平坦な表面上に前記発光層を形成することが好ましい。
【００６６】
このような構成とすることにより、発光層が形成される半導体層の表面に段差あるいは凹凸がないので、水平方向の光閉じ込めの再現性が向上し、水平方向の遠視野像の再現性を向上させることができる。また、光の内部損失の小さな実屈折率導波型構造とすることができるため、低閾値電流かつ高出力動作が実現される。
【００６７】
前記第２半導体層形成において、エッチング又は研磨により前記第２半導体層表面を平坦化することが好ましい。
【００６８】
このような構成とすることにより、活性層の平坦性を保ちつつ、活性層と電流阻止層との間に形成される光ガイド層の膜厚を薄くし、横方向の光閉じ込めを制御しやすくできるので、高出力・低雑音の半導体レーザ素子の設計マージンを大きくすることができる。
【００６９】
前記電流阻止層は、ｐ型または半絶縁性の導電型を有し、前記電流阻止層形成工程において、前記第１半導体層上に不純物を添加して前記電流阻止層の一部を形成した後、前記電流阻止層の一部上に不純物を添加せずに前記電流阻止層の他部を形成することが好ましい。
【００７０】
このような構成とすることにより、例えばｐ型AlGaN電流阻止層の形成中にMgソースの供給を停止し、さらに残りのｐ型AlGaN電流阻止層を形成した場合には、停止後に形成したｐ型AlGaN電流阻止層では添加したMgが拡散により分布するが、最表層ではMgが存在しない形で形成できる。その結果、光ガイド層あるいは活性層へのMg拡散を抑制することができるので、発光効率を向上させ、低動作電流の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００７１】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、さらに前記基板上に選択的に開口部を有するマスクを形成し、前記開口部より結晶成長が開始される形で、前記開口部上及び前記マスク上に電流阻止層及び第１半導体層を形成し、前記第１半導体層の上方に前記半導体レーザ素子における発光層を形成し、前記開口部の上部での前記活性層の結晶欠陥密度が107cm-2以下である構成となっていることが好ましい。
【００７２】
このような構成とすることにより、半導体レーザ素子の活性層及び導波路を結晶欠陥密度が107cm-2以下である部分に形成することができるので、より長寿命の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７３】
前記発光層、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、窒素を含む化合物半導体により構成されていることが好ましい。
【００７４】
このような構成とすることにより、直列抵抗が小さく、低電圧動作で長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７５】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、さらに前記半導体レーザ素子が形成された基板がサファイア、SiC、GaN、AlN、MgO、LiGaO2、LiAlO2、LiGaO2及びLiAlO2混晶のうちいずれかにより構成されていることが好ましい。
【００７６】
このような構成とすることにより、基板上に結晶性に優れたGaN系半導体エピタキシャル成長層を形成できるので、より直列抵抗が小さく低電圧動作の青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７７】
前記半導体レーザ素子の製造方法は、さらに、前記発光層と前記第２半導体層との間に、InGaNとGaNとを周期的に配置して光ガイド層を形成する光ガイド層形成工程を含み、前記光ガイド層形成工程において、前記InGaNを前記GaNよりも低温で結晶成長させて光ガイド層を形成することが好ましい。
【００７８】
このような構成とすることにより、InGaN及びGaNの結晶成長温度を個別に最適化し、より均一で結晶性の良いInGaNを実現できる。従って、InGaN光ガイド層を形成する際に課題であったIn偏析による結晶性劣化の課題を解決し、結果としてInGaN光ガイド層での内部損失を低減し、低閾値電流を有する青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００７９】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、さらに前記半導体レーザ素子において、前記第１半導体層よりも上方の部分を有機金属気相成長法により形成することが好ましい。
【００８０】
このような構成とすることにより、電流阻止層の開口部上への再成長では、開口部の段差を埋め込み平坦化する形での結晶成長を実現できるので、より平坦な表面を有する発光層を実現できる。その結果、例えば多重量子井戸内での膜厚の均一性が向上し、また、電界集中の影響もなくなるので、より直列抵抗が小さく低電圧動作の半導体レーザ素子を再現性良く実現することが可能となる。
【００８１】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、さらに前記半導体レーザ素子の前記電流阻止層及び第２半導体層よりも下方の部分を有機金属気相成長法、分子線ビームエピタキシー法、ハイドライド気相成長法あるいはその組合せにより形成することが好ましい。
【００８２】
このような構成とすることにより、電流阻止層下方に例えば100μm以上の十分に厚い下地層をハイドライド気相成長法で形成すれば、結晶欠陥密度が下地層中で低減され、より長寿命の半導体レーザ素子が実現できる。また、例えば基板と半導体レーザ構造を形成する半導体層との間での格子不整合を緩和する目的で薄膜バッファ層を挿入する場合には、これを分子線エピタキシーで形成し、膜厚の半導体層を再現性よく形成できるので、直列抵抗が小さく低電圧動作の半導体レーザ素子を再現性良く実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００８３】
以上説明したように、本発明の半導体レーザ素子及びその製造方法によれば、高出力動作時の電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モードレーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。また、光ガイド層とブロック層との間の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の半導体レーザ素子のレーザ構造設計における設計マージンを大きくすることができる。さらに、再成長部分での界面抵抗を小さくし、またｐ型GaN層上の電極面積を大きくできるので、直列抵抗が小さく低電圧動作が可能となる。さらにまた、ｎ型GaNクラッド層下方に例えばｎ型AlGaNクラッド層が形成される構成とし、クラッド層内にさらに屈折率差を設けることにより、活性層に垂直な光閉じ込め係数ΓVを高く保ちつつ、垂直拡がり角θvを小さくする構造設計が可能となり、光ディスク用途にてビーム利用効率の高い特性を得ることが可能な低閾値電流の半導体レーザ素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８４】
以下、本発明の実施の形態における半導体レーザ素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００８５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の断面図である。
【００８６】
この半導体レーザ素子は、GaN基板１と、ｎ型GaN層２と、ｎ型AlGaNクラッド層３と、第１のｎ型GaNガイド層４と、第２のｎ型GaNガイド層５と、ｐ型AlGaNブロック層６と、InGaN多重量子井戸活性層７と、アンドープGaNガイド層８と、ｐ型AlGaN電子障壁層９と、ｐ型AlGaNクラッド層１０と、ｐ型GaNコンタクト層１１と、Ti/Al/Ni/Auオーミック電極１２と、Ni/Pt/Auオーミック電極１３と、Ti/Auパッド電極１４とから構成される。なお、第１のｎ型GaNガイド層４及び第２のｎ型GaNガイド層５は本発明の半導体層の一例であり、第１のｎ型GaNガイド層４は本発明の第１半導体層の一例であり、第２のｎ型GaNガイド層５は本発明の第２半導体層の一例である。また、InGaN多重量子井戸活性層７は本発明の発光層の一例であり、ｐ型AlGaNブロック層６は本発明の電流阻止層の一例である。
【００８７】
半導体レーザ素子は、図１に示されるように、InGaN多重量子井戸活性層７下方にｐ型AlGaNブロック層６を形成し、第１のｎ型GaNガイド層４上に第２のｎ型GaNガイド層５を再成長させることにより形成してなる窒化物半導体を用いた青紫色半導体レーザ素子のレーザ構造を有している。このレーザ構造では、GaN基板１上にｎ型GaN層２、ｎ型AlGaNクラッド層３、第１のｎ型GaNガイド層４及びｐ型AlGaNブロック層（電流阻止層）６が形成され、さらにエッチングによりｐ型AlGaNブロック層６の一部にストライプ状の開口部が形成されており、この開口部を覆う形で第２のｎ型GaNガイド層５、InGaN多重量子井戸活性層７、アンドープGaNガイド層８、ｐ型AlGaN電子障壁層９、ｐ型AlGaNクラッド層１０、及びｐ型GaNコンタクト層１１が形成されている。GaN基板１裏面上にはTi/Al/Ni/Auオーミック電極１２が、ｐ型GaNコンタクト層１１上にはNi/Pt/Auオーミック電極１３とTi/Auパッド電極１４とが形成されている。InGaN多重量子井戸活性層７からは電流注入により405nmの青紫色発光が生じる。ｎ型層にはSiが、ｐ型層にはMgがそれぞれ不純物としてドーピングされている。ストライプ状にエッチングされたｐ型AlGaNブロック層６の開口部内、つまり第２のｎ型GaNガイド層５が埋め込まれた部分は、ｐ型AlGaNブロック層６よりも大きな屈折率を有し、２層の屈折率差により第２のｎ型GaNガイド層５側に光を閉じ込める青紫色半導体レーザ素子の導波路として機能する。
【００８８】
このとき、開口部内部での第２のｎ型GaNガイド層５とｐ型AlGaNブロック層６との屈折率差は、ｐ型AlGaNブロック層６のAl組成を変化させることにより10-3台で精密に制御することができる。このため、高出力動作時の空間的ホールバーニングによる電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モードレーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。またp型AlGaNブロック層６のAl組成を大きくとり、青紫色発光（405nm程度）に対する吸収をなくすことにより、内部損失をできる限り小さくし、結果として青紫色半導体レーザ素子の低閾値電流化、低動作電流化を実現できる。また、半導体レーザ素子の消費電力を大きく低減できるので、長寿命化も合わせて実現できる。さらに、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の半導体レーザ素子に同構造を適用した場合には、同半導体レーザ素子の設計マージンを大きくすることができる。
【００８９】
従来のGaAs系やInGaAlP系赤外半導体レーザ素子のレーザ構造において報告のあった、実屈折率導波型の半導体レーザ素子ではｐ型ガイド層上にｐ型クラッド層を再成長する方式が用いられているが、これを窒化物半導体に適用した場合には、界面抵抗が大きくなり、半導体レーザ素子の動作電圧が大きくなる。これはｐ型GaN層の抵抗率がMg濃度に依存し、その濃度が５×1019cm-3程度を超えると急に高抵抗になるため、再成長界面（図１におけるA）付近にてMgが再分布しMg濃度の大きな部分が生じ、結果として再成長界面付近で高抵抗部分が形成されるためである。本実施形態でのＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子のレーザ構造ではｎ型GaN層上にｎ型GaN層を再成長させており、Siドープｎ型層についてはSiドープ量を増やしすぎても高抵抗化することはない。その結果、前述のｐ型層のような高抵抗層が形成されることはなく、再成長界面での抵抗が小さくなり、結果として動作電圧の低いＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。例えば、再成長前の第１のn型GaNガイド層４最表面でのSi濃度を例えば４×1018cm-3と大きくした場合には、結果として再成長界面付近に４×1018cm-3程度のピークを持つ不純物分布が形成され、再成長界面付近での抵抗を低減することができる。
【００９０】
Mgがドープされたｐ型AlGaNブロック層６でのAl組成が比較的小さい場合には、ｐ型AlGaNブロック層６での内部吸収による内部損失が無視できなくなる。この場合は例えばBeなどの不純物準位の浅い不純物をｐ型AlGaNブロック層６にドープし高抵抗化する形でも良い。
【００９１】
本実施形態のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子は、従来より窒化物半導体レーザ素子として報告のある、いわゆるリッジ型半導体レーザ素子に比べてｐ型GaN層上の電極面積を大きくできるので、直列抵抗が従来に比べて小さくなり、低電圧動作の半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００９２】
なお、本実施形態のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子においては、GaN基板上にレーザ構造を形成したが、導波路ストライプ部分において例えば106cm-2台の転位密度を実現できる限りは、別の基板上にレーザ構造を形成してもよい。低転位密度の導波路ストライプを形成する方法としては、ストライプ状にパターニングされた例えばSiO2などの絶縁膜上に、横方向成長(Epitaxial Lateral Overgrowth: ELOG)を用い低転位化された部分を形成し、その部分に導波路ストライプを形成する方法がある。よって、本実施形態のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子は、例えばサファイア基板上に形成された厚膜のAlN層上に半導体レーザ構造を形成し、上記方法を用いて導波路ストライプ部分を低転位密度化して形成されている場合でも良い。
【００９３】
ここで、ｐ型AlGaNブロック層６は、Al0.3Ga0.7Nが最表層に存在する形で、例えば膜厚200nmのAl0.15Ga0.85N及び膜厚10nmのAl0.3Ga0.7Nから構成される。このｐ型AlGaNブロック層６は、MOCVD法にて形成される場合には、Mgソースの供給をAl0.3Ga0.7Nの形成前に停止し、ｐ型AlGaNブロック層６の最表面ではMgの拡散を抑制して、InGaN多重量子井戸活性層７へMgが拡散しないようにすることで形成される。ここではｐ型AlGaNブロック層６のMg濃度を１×1019cm-3以下とし、ｐ型AlGaNブロック層６中での例えば点欠陥などの結晶欠陥の発生を抑制し、InGaN多重量子井戸活性層７の結晶性を高める構成としても良い。また、ｐ型AlGaNブロック層６にSiも共ドープしてｐ型AlGaNブロック層６中での吸収による内部損失を制御し、キンクレベルを制御しても良い。これにより、高出力の半導体レーザ素子の設計自由度を高めることが可能となる。
【００９４】
また、ｐ型AlGaNブロック層６の開口部上に第２のｎ型GaN光ガイド層５及びInGaN多重量子井戸活性層７を形成する際に、第２のｎ型GaN光ガイド層５形成にて、例えば成長温度を1050℃以上にする、あるいはIII族原料とV族原料の供給比を制御する、あるいは成長速度を減少させるなどの条件設定により、第２のｎ型GaN光ガイド層５の薄膜化及び最上面の平坦化が行われている。なお、第２のｎ型GaN光ガイド層５を形成後にCl2ガスあるいはH2ガスなどによるガスエッチング、あるいは研磨により表面を平坦化し、さらに活性層をエピタキシャル成長することで、第２のｎ型GaN光ガイド層５の平坦が行われる形でも良い。
【００９５】
従って、本実施形態では、第１のｎ型GaNガイド層４上に形成したｐ型AlGaNブロック層６にストライプ状の開口部を形成し、さらに第２のｎ型GaNガイド層及びInGaN多重量子井戸活性層７を再成長してレーザ構造を形成する。よって、安定した単一横モードの高出力動作のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子あるいは自励発振型の低雑音のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現し、その設計マージンを大きくすることができる。さらに、再成長界面付近での界面抵抗及び直列抵抗を大きく低減し、長寿命で低電圧動作のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【００９６】
上記構造を有する図１に示すＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の製造方法として、例えば、図２に示す製造方法が考えられる。図２は、本発明の第１の実施形態におけるＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の製造方法を示すＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の断面図である。
【００９７】
まず、例えば転位密度が106cm-2台のｎ型GaN基板１の(0001)面上に有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)法により、ｎ型GaN層２、ｎ型AlGaNクラッド層３、第１のｎ型GaNガイド層４、及びｐ型AlGaNブロック層６をこの順に形成する(図２(Ａ))。
【００９８】
次に、ｐ型AlGaNブロック層６上にストライプ状の開口部を有する形でフォトレジスト１５を形成する。ストライプの幅は約2μmである。このフォトレジスト１５をマスクとして例えばCl2ガスを用いたICP(Inductive Coupled Plasma)エッチングと呼ばれるドライエッチングにより、ｐ型AlGaNブロック層６を選択的に除去する（図２(Ｂ)）。
【００９９】
次に、フォトレジスト１５を除去した後、ストライプ状の開口部内及びｐ型AlGaNブロック層６上に、第２のｎ型GaNガイド層５、InGaN多重量子井戸活性層７、アンドープGaNガイド層８、ｐ型AlGaN電子障壁層９、ｐ型AlGaNクラッド層１０、及びｐ型GaNコンタクト層１１をこの順にMOCVD法により形成する（図２(Ｃ)）。この再成長工程後に、ｐ型GaNコンタクト層１１表面に、例えば電子ビーム蒸着とリフトオフ法とにより、Ni/Pt/Auオーミック電極１３をオーミック電極として形成する。その後、Ni/Pt/Auオーミック電極１３とｐ型層とのコンタクト抵抗低減のために、例えばN2雰囲気中600℃でシンタを行う。さらにNi/Pt/Auオーミック電極１３形成後、Ni/Pt/Auオーミック電極１３上にTi/Auパッド電極１４を形成する。
【０１００】
最後に、GaN基板１をGaN基板１の裏面より約150μm程度にまで研磨し、さらにｎ型であるGaN基板１の裏面側にTi/Al/Ni/Auオーミック電極１２を、例えば電子ビーム蒸着とリフトオフ法とにより形成し(図２(Ｄ))、図１に示すＧａＮ系青紫色半導体レーザを形成する。
【０１０１】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法により、第１のｎ型GaNガイド層４上に第２のｎ型GaNガイド層５及びInGaN多重量子井戸活性層７を再成長させて図１に示すようなレーザ構造を形成する。よって、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子において、再成長界面での界面抵抗及び直列抵抗を大きく低減し、低電圧動作、長寿命化を実現することが可能となる。
【０１０２】
また、InGaN多重量子井戸活性層７からの発光を、再成長により形成される第２のｎ型GaNガイド層５とｐ型AlGaNブロック層６との屈折率差により内部損失なく第２のｎ型GaNガイド層５内に閉じ込める。よって、安定した単一横モードの高出力動作のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子あるいは自励発振型の低雑音のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現すると共に、その設計マージンを大きくすることができる。
【０１０３】
また、半導体レーザ素子の活性層をInGaN多重量子井戸で形成し、青紫色半導体レーザ素子を作製する場合には、埋め込み再成長に際し、成長条件によっては開口部上部で活性層のInがマイグレーションし、結果として開口部上方の半導体層においてIn組成が大きくなり、ｐ型AlGaNブロック層６の上方の半導体層ではIn組成が少なくなる。従って、例えば活性層の下方にGaNガイド層が形成されている場合にはGaNとの格子不整合が小さい形で結晶成長を行えるので、再成長により形成される半導体層は結晶性に優れたものとなり、長寿命のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【０１０４】
また、半導体レーザ素子の活性層をAlGaN多重量子井戸で形成し、例えば360nmで発光する青紫色半導体レーザ素子を作製する場合には、埋め込み再成長に際し、開口部上部ではGaがマイグレーションし、結果として開口部上部のAl組成が小さくなる。従って、活性層内部で横方向の光閉じ込めが可能となるので、結果としてAlGaNブロック層の膜厚を薄くしても十分大きな光閉じ込めを実現でき、低閾値電流を有するＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現することが可能となる。
【０１０５】
また、第１のｎ型GaNガイド層４及び第２のｎ型GaNガイド層５をそれぞれ異なる組成あるいは材料の半導体層により構成してもよい。例えば、第１のｎ型GaNガイド層４をInxGa1-xN(0≦x≦1)から構成されるｎ型ガイド層とし、第２のｎ型GaNガイド層５をGaNから構成されるｎ型ガイド層としてもよい。これにより、InGaNはGaNよりも屈折率が大きく、InGaNから構成される光ガイド層を用いることで垂直方向の光閉じ込め係数を大きくでき、低閾値電流のＧａＮ系青紫色半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１０６】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態におけるＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の断面図である。
【０１０７】
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaN層２と、ｎ型AlGaNクラッド層３と、ｐ型AlGaNブロック層６と、InGaN多重量子井戸活性層７と、ｐ型AlGaN電子障壁層９と、Ti/Al/Ni/Auオーミック電極１２と、Ni/Pt/Auオーミック電極１３と、Ti/Auパッド電極１４と、サファイア基板１６と、SiO2マスク１７と、第１のｎ型GaNクラッド層１８と、第２のｎ型GaNクラッド層１９と、ｎ型InGaNガイド層２０と、アンドープInGaNガイド層２１と、ｐ型GaNクラッド層２２とから構成される。なお、第１のｎ型GaNクラッド層１８及び第２のｎ型GaNクラッド層１９は本発明の半導体層の一例であり、第１のｎ型GaNクラッド層１８は本発明の第１半導体層の一例であり、第２のｎ型GaNクラッド層１９は本発明の第２半導体層の一例である。
【０１０８】
半導体レーザ素子は、図３に示されるように、InGaN多重量子井戸活性層７下方にｐ型AlGaNブロック層６を形成し、第１のn型GaNクラッド層１８上に第２のｎ型GaNクラッド層５を再成長させることにより形成されており、ガイド層としてのInGaN層を有する、窒化物半導体を用いた青紫色半導体レーザ素子のレーザ構造を有している。このレーザ構造では、サファイア基板１６上にｎ型GaN層２の一部が形成され、その上に例えばストライプ状に5μm幅の開口部を有し、マスク幅が１０μｍのSiO2マスク１７が形成され、さらにその上に残りのｎ型GaN層２が横方向成長により形成されている。SiO2マスク１７上方の半導体層では、開口部下方の半導体層では109cm-2台であった転位密度が106cm-2台にまで低減されている。ｎ型GaN層２の上には、ｎ型AlGaNクラッド層３、第１のｎ型GaNクラッド層１８、及びｐ型AlGaNブロック層（電流阻止層）６が形成され、さらにエッチングによりｐ型AlGaNブロック層６の一部にストライプ状の開口部が形成されており、この開口部を覆う形で第２のｎ型GaNクラッド層１９、ｎ型InGaNガイド層２０、InGaN多重量子井戸活性層７、アンドープInGaNガイド層２１、ｐ型AlGaN電子障壁層９、及びｐ型GaNクラッド層２２が形成されている。
【０１０９】
ｎ型GaN層２が露出する形でｎ型GaN層２からｐ型GaNクラッド層２２までのエピタキシャル成長層が選択的に除去されており、露出したｎ型GaN層２上にはTi/Al/Ni/Auオーミック電極１２が、ｐ型GaNクラッド層２２上側にはNi/Pt/Auオーミック電極１３とTi/Auパッド電極１４とが形成されている。ｎ型層にはSiが、ｐ型層にはMgがそれぞれ不純物としてドーピングされている。ストライプ状にエッチングされたｐ型AlGaNブロック層６の開口部は、SiO2マスク１７の上方に位置し、転位密度の小さな部分に形成されている。第１の実施形態と同様に、ストライプ状にエッチングされたｐ型AlGaNブロック層６の開口部内、つまり第２のｎ型GaNクラッド層１９が埋め込まれた部分は、ｐ型AlGaNブロック層６よりも大きな屈折率を有し、２層の屈折率差により第２のｎ型GaNクラッド層１９側に光を閉じ込める青紫色半導体レーザ素子の導波路として機能する。また、結晶成長の条件設定、研磨又はエッチングにより、第２のｎ型GaNクラッド層１９の薄膜化及び最上面の平坦化が行われている。さらに、第１のｎ型GaNクラッド層１８及び第２のｎ型GaNクラッド層１９は、その界面、つまり再成長界面において不純物濃度が最も高くなる不純物分布を有する。
【０１１０】
このとき、ｐ型AlGaNブロック層６のAl組成を変化させることにより、開口部内部での第２のｎ型GaNクラッド層１９とｐ型AlGaNブロック層６との屈折率差を10-3台で精密に制御することができる。このため、高出力動作時の空間的ホールバーニングによる電流−光出力特性におけるキンクの発生を抑制し、安定した高出力単一横モードレーザを得るための設計マージンを大きくすることができる。またp型AlGaNブロック層６のAl組成を大きくとり、青紫色発光（405nm程度）に対する吸収をなくすことにより、内部損失をできる限り小さくし、結果として青紫色半導体レーザ素子の低閾値電流化、低動作電流化を実現できる。また、半導体レーザ素子の消費電力を大きく低減できるので、長寿命化も合わせて実現できる。さらに、前述の屈折率差を精密に制御することで、自励発振型の低雑音の半導体レーザ素子に同構造を適用した場合には、同半導体レーザ素子の設計マージンを大きくすることができる。
【０１１１】
光ディスクシステム用の半導体レーザ素子においては活性層における垂直方向の光閉じ込め係数ΓVを高い値に保つことで、低閾値電流を実現しつつ、レーザ光源の集光性を高めるために活性層における垂直方向のビーム拡がり角（以下、垂直拡がり角）θvを小さくする必要がある。一般にクラッド層の屈折率を小さくするなどして光の閉じ込めを大きくするとΓvが大きくなり閾値電流は小さくなるが、同時に垂直拡がり角も大きくなる。本実施形態に示した青紫色半導体レーザ素子ではInGaN多重量子井戸活性層７の上下に、例えばIn0.02Ga0.98Nからなる
ｎ型InGaNガイド層２０及びアンドープInGaNガイド層２１を形成し、その外側に第２のｎ型GaNクラッド層１９及びｐ型GaNクラッド層２２を形成し、さらに第２のｎ型GaNクラッド層１９下部に例えばｎ型Al0.1Ga0.9N層からなる第１のｎ型GaNクラッド層１８が形成されている。このようにクラッド層内にさらに屈折率差を設けることにより、具体的にはｎ型AlGaNクラッド層３と第１のｎ型GaNクラッド層１８及び第２のｎ型GaNクラッド層１９との間に屈折率差を設けることにより、高い閉じ込め係数ΓVを保ちつつ、垂直拡がり角θvを小さくする構造設計が可能であり、光ディスクシステム用途にてビーム利用効率の高い特性を得ることが可能な低閾値電流の半導体レーザ素子を実現できる。
【０１１２】
前述のIn0.02Ga0.98Nからなるｎ型InGaNガイド層２０は、GaNとInGaNとの格子定数差の緩和あるいは厚膜化によるIn組成偏析の抑制を目的とし、例えばInGaN及びGaNが周期的に配置されたInGaN/GaNの周期構造を有しても良い。この場合には、InGaNをGaNよりも低温で結晶成長させて上記周期構造を形成する。これにより、ｎ型InGaNガイド層２０の上に形成するInGaN多重量子井戸活性層７の結晶性が改善され、より低閾値電流の半導体レーザ素子を実現することができる。
【０１１３】
第１の実施形態における半導体レーザ素子では、クラッド層にAlGaN層を、ガイド層にGaN層をそれぞれ用いており、AlGaN層は一般に１μｍ程度の膜厚は必要であるとされ、AlGaNとGaNとの格子不整合によりクラックが生じやすいという課題がある。しかし、第２の実施形態の半導体レーザ素子においてはクラッド層の大部分をGaNで構成することで、格子不整合によるクラックの発生を抑制できる構造となっている。
【０１１４】
なお、本実施形態のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子においては、サファイア基板上に横方向成長により低転位密度部分を形成し、その上にストライプ導波路を形成するレーザ構造について説明したが、導波路ストライプ部分において例えば106cm-2台の転位密度を実現できる限りはこのレーザ構造に限られず、レーザ構造はGaN基板上に導波路ストライプが形成されている形でも良い。また、レーザ構造は例えばサファイア基板上に厚膜のAlN層が形成された上に半導体レーザ構造が形成され、低転位化されていても良い。
【０１１５】
また、第１のｎ型GaNクラッド層１８及び第２のｎ型GaNクラッド層１９をそれぞれ異なる組成あるいは材料の半導体層により構成してもよい。例えば、第１のｎ型GaNクラッド層１８をInxGa1-xN(0≦x≦1)から構成されるｎ型クラッド層とし、第２のｎ型GaNクラッド層１９をGaNから構成されるｎ型クラッド層としてもよい。これにより、InGaNはGaNよりも屈折率が大きくInGaNから構成されるクラッド層を用いることで垂直方向の光閉じ込め係数を大きくでき、低閾値電流の半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１１６】
上記構造を有する図３に示すＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の製造方法として、例えば、図４に示す製造方法が考えられる。図４は、本発明の第２の実施形態におけるＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の製造方法を示すＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子の断面図である。
【０１１７】
まず、例えばサファイア基板１６の(0001)面上にMOCVD法により、ｎ型GaN層２を形成する。その後、ｎ型GaN層２の上に、例えばSiH4とO2ガスを用いた気相堆積(Chemical Vapor Deposition:CVD)法によりSiO2膜１７を約100nmの膜厚で形成する。続いて、SiO2膜１７をストライプ状に5μｍ幅の開口部を有し、10μｍ幅のSiO2ストライプが形成されるよう、例えばフォトレジストをマスクとしフッ化水素酸（HF）水溶液を用いてSiO2膜１７を選択的にエッチングする（図４(Ａ))。
【０１１８】
次に、SiO2膜１７の開口部内のｎ型GaN層２より成長が生じる形で、例えばMOCVD法により、ｎ型GaN層２、ｎ型AlGaNクラッド層３、第１のｎ型GaNクラッド層１８、及びｐ型AlGaNブロック層（電流阻止層）６を形成する(図４(Ｂ))。このMOCVD法による結晶成長工程では開口部が形成されたSiO2膜１７上で横方向に成長する形で結晶成長するので、SiO2膜１７上方の半導体層では貫通転位密度が大幅に減少し、結果として106cm-2台の転位密度の半導体層が得られる。
【０１１９】
次に、ｐ型AlGaNブロック層６上にストライプ状の開口部を有する形でフォトレジスト１５を形成する。ストライプの幅は約2μmである。このフォトレジスト１５をマスクとして例えばCl2ガスを用いたICPエッチングと呼ばれるドライエッチングにより、ｐ型AlGaNブロック層６を選択的に除去する(図４(Ｃ))。
【０１２０】
次に、フォトレジスト１５を除去した後、ストライプ状の開口部内及びｐ型AlGaNブロック層６上に、第２のｎ型GaNクラッド層１９、ｎ型InGaNガイド層２０、InGaN多重量子井戸活性層７、アンドープInGaNガイド層２１、ｐ型AlGaN電子障壁層９、及びｐ型GaNクラッド層２２をこの順にMOCVD法により形成する(図４(Ｄ))。この再成長工程後に、ｎ型GaN層２が露出するように、ｎ型GaN層２からｐ型GaNクラッド層２２までのエピタキシャル成長層の一部を選択的に除去する(図４(Ｅ))。このエッチングには、例えば前述のICPエッチングのようなドライエッチング技術を使用する。ここでは導波路ストライプであるｐ型AlGaNブロック層６の開口部パターンに平行に開口部を有する形でｎ型GaN層２が露出している。
【０１２１】
次に、ｐ型GaNクラッド層２２表面に、例えば電子ビーム蒸着とリフトオフ法により、Ni/Pt/Auオーミック電極１３をオーミック電極として形成する。その後、Ni/Pt/Auオーミック電極１３とｐ型層とのコンタクト抵抗低減のための、例えばN2雰囲気中600℃でのシンタを行った後、Ni/Pt/Auオーミック電極１３上にTi/Auパッド電極１４を形成する。さらに露出したｎ型GaN層２上にTi/Al/Ni/Auオーミック電極１２を、例えば電子ビーム蒸着とリフトオフ法とにより形成した後、その上にTi/Auパッド電極１４を形成し(図４(Ｆ))、図３に示すＧａＮ系青紫色半導体レーザを形成する。
【０１２２】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法により、第１のｎ型GaNクラッド層１８上に第２のｎ型GaNクラッド層１９及びInGaN多重量子井戸活性層７を再成長させて図３に示すようなレーザ構造を形成する。よって、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子において、再成長界面（図３のA）付近での抵抗を小さくでき、低電圧動作、長寿命化を実現することが可能となる
また、InGaN多重量子井戸活性層７からの発光を、再成長により形成される第２のｎ型GaNクラッド層１９とｐ型AlGaNブロック層６との屈折率差により内部損失なく第２のｎ型GaNクラッド層１９内に閉じ込め、安定した単一横モードの高出力動作のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子あるいは自励発振型の低雑音のＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子を実現すると共に、その設計マージンを大きくすることができる。
【０１２３】
また、ｎ型クラッド層をAlGaN及びGaNの２層構造とすることで、つまり第１のｎ型GaNクラッド層１８下方にｎ型AlGaNクラッド層３を形成することで、高い光閉じ込め係数と小さな垂直拡がり角とを両立できる構造設計を可能とし、光ディスクシステム用の、ビーム利用効率が高く閾値電流の小さな半導体レーザ素子を実現することが可能となる。前述の通り、低動作電圧・低動作電流とできるので消費電力を低減でき、長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現できる。
【０１２４】
以上、本発明に係るＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子及びその製造方法について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形または修正が可能であることはいうまでもない。
【０１２５】
例えば、第１、第２実施形態で用いたGaN基板及びサファイア基板はいかなる面方位でも良く、また例えば(0001)面等の代表面からオフアングルのついた面方位であっても良い。また、基板は、SiC基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、InP基板、LiGaO2基板、LiAlO2基板あるいはこれらの混晶などであっても良い。また、導波路ストライプは転位密度が106cm-2台以下の部分で形成されていることが望ましい。また、レーザ構造が形成されたエピタキシャル成長層は、所望のレーザ特性が実現できる限りはいかなる組成比であっても良く、いかなる多層構造を含んでも良く、またMOCVD法でなく、例えば、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法あるいはハイドライド気相成長 (Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE) 法により形成された層を含んでも良い。また、レーザ構造が形成されたエピタキシャル成長層はAs、PなどのV族元素あるいはBなどのIII族元素を構成元素として含んでいても良い。また、ブロック層は、半絶縁性の導電型を有してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明にかかる半導体レーザ素子は、高密度光ディスクシステムの書き込み及び読み出し光源として使用できる、高出力あるいは低雑音のGaN系青紫色半導体レーザ素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における半導体レーザの製造方法を示す構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における半導体レーザを示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における半導体レーザの製造方法を示す構成図である。
【図５】従来例における赤外半導体レーザの断面図である。
【図６】従来例における青紫色半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１    GaN基板
２    ｎ型GaN層
３    ｎ型AlGaNクラッド層
４    第１のｎ型GaNガイド層
５    第２のｎ型GaNガイド層
６    ｐ型AlGaNブロック層
７    InGaN多重量子井戸活性層
８    アンドープGaNガイド層
９    ｐ型AlGaN電子障壁層
１０    ｐ型AlGaNクラッド層
１１    ｐ型GaNコンタクト層
１２    Ti/Al/Ni/Auオーミック電極
１３    Ni/Pt/Auオーミック電極
１４    Ti/Auパッド電極
１５    フォトレジスト
１６    サファイア基板
１７    SiO2マスク
１８    第１のｎ型GaNクラッド層
１９    第２のｎ型GaNクラッド層
２０    ｎ型InGaNガイド層
２１    アンドープInGaNガイド層
２２    ｐ型GaNクラッド層
２３    GaAs基板
２４    ｎ型AlGaAsクラッド層
２５    アンドープAlGaAs活性層
２６    第１のｐ型AlGaAsクラッド層
２７    ｎ型AlGaAsブロック層
２８    第２のｐ型AlGaAsクラッド層
２９    ｐ型GaAsコンタクト層
３０    AuGeNi/Auオーミック電極
３１    Ti/Pt/Auオーミック電極
３２    Ni/Au電極
３３    第１のｐ型AlGaNクラッド層
３４    ｎ型AlGaNブロック層
３５    第２のｐ型AlGaNクラッド層
【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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