(57)【要約】【課題】長いレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体レーザ素子において、窒化物半導体基板上またはその上に積層された窒化物半導体層上において窒化物半導体がエピタキシャル成長を抑制される成長抑制膜からなるストライプ状マスクと、そのマスクが形成されていないストライプ状窓部とを有するマスク基板があって、そのマスク基板を被覆する窒化物半導体膜と、少なくともｎ型層とｐ型層とによって挟まれた井戸層または井戸層と障壁層とからなる発光層を有する発光素子構造とがマスク基板上に順次成長させられており、マスクのストライプ方向に向かってマスク中央から左右に１μｍ未満を除く領域でかつ窓部のストライプ方向に向かって窓部中央から左右に１μｍ未満を除く領域であってなおかつマスクの上方の領域と窓部の上方の領域とに跨るように発光素子構造の電流狭窄部分が作製されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上または窒化物半導体基板上において窒化物半導体がエピタキシャル成長を抑制される成長抑制膜からなるストライプ状マスクと前記マスクが形成されていないストライプ状窓部とを有するマスク基板があって、
前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜と、
少なくともｎ型層とｐ型層とによって挟まれた井戸層または井戸層と障壁層とからなる発光層を有する発光素子構造とが前記マスク基板上に順次成長させられており、
前記マスクのストライプ方向に向かって前記マスクの幅の中央から左右に１μｍ未満を除く領域でかつ前記窓部のストライプ方向に向かって前記窓部の幅の中央から左右に１μｍ未満を除く領域であってなおかつ前記マスクの上方の領域と前記窓部の上方の領域とに跨るように前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記マスクの幅が５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記窓部の幅が２μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記マスクの幅が前記窓部幅よりも広いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体膜がＡxＧａ1-xＮ（Ａｌ組成比ｘは０．０１以上０．１５以下）を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体膜がＩｎxＧａ1-xＮ（Ｉｎ組成比ｘは０．０１以上０．１８以下）を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの元素が前記井戸層に含まれていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記マスク基板の裏面側にｎ型用電極が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかの窒化物半導体レーザ素子を含むことを特徴とする半導体光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長いレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子と、その窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ基板上にＳｉＯ2マスクのマスクパターンが形成され、前記ＳｉＯ2マスクの上方と前記ＳｉＯ2マスクが形成されていない窓部の上方とにＧａＮ層が積層され、前記ＧａＮ層上に窒化物半導体レーザ素子が形成されることが、非特許文献１のＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−６５０などで開示されている。
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した開示内容では、前記ＳｉＯ2マスクを有するＧａＮ基板に形成される前記窒化物半導体レーザ素子の形成位置について、詳細な説明がなされていなかった。
【０００４】
本明細書では、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上もしくは窒化物半導体基板上にマスクと窓部とが形成されたマスク基板があって、前記マスク基板に作製された窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の形成位置が詳細に説明される。本発明は、前記電流狭窄部分の形成位置が適正化されることによって、長いレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子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】
【０００５】
本発明による窒化物半導体レーザ素子においては、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上または窒化物半導体基板上において窒化物半導体がエピタキシャル成長を抑制される成長抑制膜からなるストライプ状のマスクと前記マスクが形成されていないストライプ状の窓部とを有するマスク基板があって、前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜と、少なくともｎ型層とｐ型層とによって挟まれた井戸層または井戸層と障壁層とからなる発光層を有する発光素子構造とが前記マスク基板上に順次成長させられており、前記マスクのストライプ方向に向かって前記マスクの幅の中央から左右に１μｍ未満を除く領域でかつ前記窓部のストライプ方向に向かって前記窓部の幅の中央から左右に１μｍ未満を除く領域であってなおかつ前記マスクの上方の領域と前記窓部の上方の領域とに跨るようにして前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されていることを特徴としている。
【０００６】
ここで、本明細書で説明される成長抑制膜とは、窒化物半導体がエピタキシャル成長されにくい膜であると定義する。たとえば、成長抑制膜は、誘電体膜あるいは金属膜から構成され得る。より具体的には、成長抑制膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＮx、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、タングステンまたはモリブデンなどである。
【０００７】
本明細書で説明される窓部とは、ある層の上に前記成長抑制膜から構成されたマスクがあって、前記ある層が前記マスクで被覆されていない部分（ある層が露出している部分）であると定義する。
【０００８】
本明細書で説明される窒化物半導体基板とは、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む基板である。前記窒化物半導体基板は、前記窒化物半導体基板を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体基板は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。その不純物の総添加量は５×１０17／ｃｍ3以上５×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。前記窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Ｓｉ、ＯもしくはＣｌのいずれかが特に好ましい。
【０００９】
本明細書で説明される前記窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層とは、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む層である。前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。その不純物の総添加量は５×１０17／ｃｍ3以上５×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。前記窒化物半導体層がｎ型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Ｓｉ、ＯもしくはＣｌのいずれかが特に好ましい。
【００１０】
本明細書で説明されるマスク基板とは、前記窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上もしくは前記窒化物半導体基板上において前記成長抑制膜から構成されたマスクと前記窓部が設けられた基板であると定義する（図２参照）。前記マスクの幅および前記窓部の幅は、一定の周期を有していても良いし、種々異なる幅を有していても構わない。
【００１１】
本明細書で説明される前記マスク基板上に成長する窒化物半導体膜は、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含んでいる。前記窒化物半導体膜は、前記窒化物半導体膜を構成している窒素元素の約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導体膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。前記窒化物半導体膜がｎ型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のうち、Ｓｉ、ＯもしくはＣｌのいずれかが特に好ましい。
【００１２】
本明細書で説明される膜付きマスク基板とは、前記マスク基板の上に前記窒化物半導体膜を被覆した基板と定義する（図３参照）。
【００１３】
本明細書で説明される発光層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層とからなる層の総称を指すものとする。たとえば、単一量子井戸構造の発光層は、１つの井戸層のみで構成されるか、もしくは障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の発光層は複数の井戸層と複数の障壁層とから構成される。
【００１４】
本明細書で説明される発光素子構造とは、前記発光層がｎ型層とｐ型層とに挟まれた構造であると定義する。
【００１５】
本明細書で説明される電流狭窄部分とは、ｐ型層を介して発光層に実質的に電流が注入される部分であると定義する。また、電流狭窄幅とは、前記電流狭窄部分の幅であると定義する。具体的には、図４を用いて前記電流狭窄部分が説明される。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前記電流狭窄部分は図４（ａ）で示されたリッジストライプ部に該当する。かくして、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の前記電流狭窄幅は、図４（ａ）で示されたリッジストライプ幅に該当する。
【００１６】
同様に、たとえば、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前記電流狭窄部分は図４（ｂ）で示された２つの電流阻止層に挟まれた部分に該当する。かくして、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の前記電流狭窄幅は、図４（ｂ）で示された電流阻止層間幅に該当する。
【００１７】
本発明では、前記マスクの上方の領域と前記窓部の上方の領域に跨るように前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されることによって、電流狭窄部分にクラックが発生してレーザ素子の歩留まり率が低下することを抑制し得る。
【００１８】
本発明では、前記マスク幅が５μｍ以上３０μｍ以下であることによって、レーザ発振寿命を長寿命化させることが可能な領域に電流狭窄部分が作製され得る。
【００１９】
本発明では、前記窓部の幅が２μｍ以上２０μｍ以下であることが好適である。本発明では、前記マスク幅が前記窓部幅よりも広いことによって、結晶歪が効果的に緩和され、より一層のレーザ発振寿命を長寿命化させることが可能である。
【００２０】
本発明では、前記窒化物半導体膜が少なくともＡxＧａ1-xＮ（Ａｌ組成比ｘは０．０１以上０．１５以下）を含むことによって、より一層のレーザ発振寿命特性の向上とクラックの発生率が抑制され得る。
【００２１】
本発明では、前記窒化物半導体膜がＩｎxＧａ1-xＮ（Ｉｎ組成比ｘは０．０１以上０．１８以下）を含むことによって、電流狭窄部部分が作製される領域の違いによるレーザ発振寿命の相違が小さく、素子不良率が低減し得る。
【００２２】
本発明では、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素が、前記井戸層に含有されることによって、より一層のレーザ発振の長寿命化を実現し得る。
【００２３】
本発明では、前記窒化物半導体基板に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されていて、その不純物の総添加量が５×１０17／ｃｍ3以上５×１０18／ｃｍ3以下であることが好適である。
【００２４】
本発明は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置にも関する。前記半導体光学装置は、本発明のレーザ発振寿命の長い高出力レーザ（３０ｍＷ）を用いているため、信頼性の高い製品を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のような本発明によって、長いレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子と前記窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（実施の形態１）
本発明では、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層に、もしくは窒化物半導体基板に、マスクと窓部とが形成されたマスク基板があって、窒化物半導体膜と発光素子構造とを、前記マスク基板上に順次成長させ、前記マスクのストライプ方向に向かってマスク中央から左右に１μｍ未満を除く領域、かつ前記窓部のストライプ方向に向かって窓部中央から左右に１μｍ未満を除く領域に、前記発光素子構造の電流狭窄部分が作製されることによって、本発明の課題である窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振の長寿命化が図られる。
【００２７】
窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板に形成される本発明の最適位置は、マスク基板を構成している基板が窒化物半導体基板の場合に限られる。これは、以下の理由からである。
【００２８】
窒化物半導体基板以外の基板（以後、異種基板と呼ぶ）が用いられたマスク基板上に成長された窒化物半導体膜は、窒化物半導体基板が用いられたマスク基板上に成長されたそれと比較して、強い応力歪を受ける。これは、異種基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体膜との間のそれと比較して非常に大きいからである。したがって、前記窒化物半導体基板が異種基板で置換されて、本発明の最適位置に属するように窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製されたとしても、マスク基板に被覆された窒化物半導体膜および発光素子構造中の結晶歪は、本発明と同様に緩和され得ない。加えて、異種基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体膜との間のそれと比べて非常に大きいことから、異種基板自体が反ってしまう。発光素子構造を含む該基板が反ってしまうと、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が、再現性よく目的とする位置に作製されることが困難になる。
【００２９】
（窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される最適位置について）
本発明者らは、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板（マスク基板が窒化物半導体膜で被覆された基板である。また、マスク基板を構成している基板は、窒化物半導体基板である。）のどの位置に形成されるかによって、レーザ発振寿命が変化することを新知見として見出した。
【００３０】
以下では、電流狭窄部分の最適位置が、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子（図４（ａ））を例に説明される。ここで、上述で説明されたように、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分は、該レーザ素子のリッジストライプ部に該当する。また、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄幅は、該レーザ素子のリッジストライプ幅に該当する。
【００３１】
まず、前記リッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係が図５を用いて説明される。
【００３２】
図５は、横軸に膜付きマスク基板のマスク中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離を、縦軸にレーザ出力３０ｍＷ、雰囲気温度６０℃の条件下でのレーザ発振寿命を、それぞれ表している。ここで、マスク中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｃ−ａ距離と呼ぶ）は、マスク中央ｃから向かって右側を正に、同じく向かって左側を負で表記される。また、図５も含めて本明細書で説明されるレーザ発振寿命は以下のようにして見積もられた。前記レーザ発振寿命は、窒化物半導体レーザ素子を寿命試験装置にセットした初期の閾値電流値の、１．５倍の閾値電流値に到達したときの時間である。図５で用いられた窒化物半導体レーザ素子の構造および製造方法は、後述の実施の形態２と同様にして作製される。また、図５で用いられた、リッジストライプ幅は２μｍであり、マスク幅は１８μｍであり、窓部幅は８μｍであり、マスクの厚みは０．１μｍであった。
【００３３】
（リッジストライプ部がマスクの上方に作製される場合）
まず、リッジストライプ部がマスクの上方に作製された場合について述べる。図５を参照すると、リッジストライプ部がマスクの上方に作製された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部が窓部の上方に作製されたそれよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部がマスク上方に作製されても、ｃ−ａ距離が−３μｍよりも大きく１μｍよりも小さい領域に前記リッジストライプ部が作製されると、レーザ発振寿命が劇的に減少する（数１００時間から１０００時間未満）ことがわかった。ここで、前記リッジストライプ部の幅（以後、リッジストライプ幅と呼ぶ）が２μｍであることを考慮して、前記ｃ−ａ距離の−３μｍが、マスク中央ｃからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｃ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されると、ｃ−ｂ距離は−１μｍとなる。つまり、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部が、マスクのストライプ方向（図２（ｂ））に向かってマスク中央ｃから左右１μｍ未満の領域に少なくとも含まれるようにして作製されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域を領域ＩＩＩと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、前記領域ＩＩＩを除くマスクの上方の領域に、前記リッジストライプ部全体（図５のａ−ｂ幅）が含まれるようにして作製することが好ましい。
【００３４】
前記領域ＩＩＩは上記のマスク中央ｃから左右１μｍ未満の範囲以外に、以下で述べる範囲を選択すると、レーザ発振寿命特性の観点からさらに好ましい。前記領域ＩＩＩがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央ｃから左右２μｍ未満の領域（図５のｃ−ａ距離で表記すると、−４μｍよりも大きく２μｍよりも小さい領域に該当する）であって、前記のＩＩＩ領域を除くようにして、前記リッジストライプ部全体（図５のａ−ｂ幅）がマスクの上方に含まれるようにして作製される。このことにより、レーザ発振寿命が少なくとも約３０００から５０００時間以上の寿命を得ることが可能である。さらに、前記領域ＩＩＩがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央ｃから左右３μｍ未満の領域（図５のｃ−ａ距離で表記すると、−５μｍよりも大きく３μｍよりも小さい領域に該当する）であって、前記のＩＩＩ領域を除くようにして、前記リッジストライプ部全体（図５のａ−ｂ幅）がマスクの上方に含まれるようにして作製されると、レーザ発振寿命が約１００００時間以上の寿命を得ることが可能である。
【００３５】
ここで、マスクの上方の領域であって、なおかつ領域ＩＩＩを除く領域のことを、領域Ｉと呼ぶことにする。この領域Ｉは、以下で示す領域ＩＩよりも、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を作製することが可能な領域である。
【００３６】
（リッジストライプ部が窓部の上方に作製される場合）
次に、リッジストライプ部が窓部の上方に作製された場合について述べる。リッジストライプ部が窓部の上方に作製された場合についても、前述と同様の説明がなされ得る。窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、ｃ−ａ距離が１０μｍよりも大きく１４μｍよりも小さい領域に作製されると、前記窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命が劇的に減少してしまった。ここで、前記リッジストライプ幅が２μｍであることを考慮して、前記ｃ−ａ距離の１０μｍが窓部中央ｄからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｄ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されると、ｄ−ｂ距離は１μｍになる。同様にして、ｃ−ａ距離の１４μｍが、窓部中央ｄからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｄ−ａ）に換算されると、ｄ−ａ距離は１μｍになる。つまり、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部が、窓部の幅方向に沿って窓部中央ｄから左右１μｍ未満の範囲内に含まれるようにして作製されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（窓部中央ｄから左右１μｍ未満の範囲）を領域ＩＶと呼ぶことにする。
【００３７】
したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、前記領域ＩＶを除く領域に、前記リッジストライプ部全体（図５のａ−ｂ幅）が含まれるようにして作製されることが好ましい。ここで、窓部の上方の領域であって、なおかつ窓部のストライプ方向に向かって前記窓部中央ｄから左右１μｍ以上の領域（領域ＩＶを除く領域に該当する）を、領域ＩＩと呼ぶことにする。この領域ＩＩに作製された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、前述の領域Ｉに作製されたそれと比較して、短いものの、数千時間のレーザ発振寿命を有することができた。以上の結果が、図６の模式図にまとめられる。
【００３８】
図６は、前記領域Ｉから前記領域ＩＶまでが、膜付きマスク基板に記された模式図である。膜付きマスク基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、レーザ発振寿命の観点から、その全体が領域Ｉに含まれることが最も好ましく、次にその全体が領域Ｉと領域ＩＩに跨って含まれる場合が好ましく、続いてその全体が領域ＩＩに含まれることが好ましい。本発明の課題であるレーザ発振寿命の長寿命化がリッジストライプ部の形成位置によって異なる理由は、恐らく結晶歪の緩和のされ方が膜付きマスク基板内で違うためだと思われる。また、以上の結果を考慮すると、恐らく、マスク基板のマスクの上方に形成された窒化物半導体膜は、マスク基板の窓部の上方に形成されたそれよりも、窒化物半導体膜中の結晶歪の緩和効果が大きいものと思われる。
【００３９】
本発明者らの詳細な検討によると、リッジストライプ部全体が領域Ｉと領域ＩＩとに跨るように作製されると、レーザ発振寿命の向上以外に、リッジストライプ部にクラックが発生してレーザ素子の歩留まり率が低下することを抑制し得るので好ましかった。
【００４０】
前述の「窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される最適位置について」では、リッジストライプ幅が２μｍの場合について説明されたが、その他のリッジストライプ幅が用いられても前述で示された図５と同様の傾向が観られ得る。
【００４１】
前述で示されたリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係は、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子（たとえば図４（ａ））に限られるものではない。たとえば、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前述のリッジストライプ部は２つの電流阻止層に挟まれた部分に、前述のリッジストライプ幅は電流阻止層間幅に該当する（図４（ｂ）を参照）。さらに一般的な表現を用いれば、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が、図６に示された領域Ｉおよび／または領域ＩＩの上方に存在していれば、本発明による効果が充分に得られる。なお、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が領域Ｉと領域ＩＩとを跨るように作製されても良いことは言うまでも無い。
【００４２】
（マスク幅について）
マスク基板に形成されるマスクのマスク幅は、５μｍ以上３０μｍ以下、さらに好ましくは９μｍ以上２５μｍ以下である。前記マスク幅の下限値と上限値は、以下のようにして見積もられた。
【００４３】
マスクの上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製される場合、前記マスクのマスク幅の下限値は、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の幅（電流狭窄幅）に依存する。上述のレーザ発振の長寿命化の観点から、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分（たとえば、リッジストライプ部）は、領域Ｉ（図６参照）に作製されることが最も好ましい。したがって、前記マスク幅の下限値は、少なくとも電流狭窄幅よりも広くする必要がある。電流狭窄幅はおよそ１．５μｍ〜３μｍ幅で形成され得るため、結局、前記マスク幅の下限値は、領域ＩＩＩの幅２μｍ（領域ＩＩＩがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央ｃから左右１μｍ未満の領域の場合）と前記ストライプ幅（１．５μｍ）×２を足して少なくとも５μｍ以上と見積もられる。さらに好ましくは、前記マスク幅の下限値が、領域ＩＩＩの幅６μｍ（領域ＩＩＩがマスクのストライプ方向に向かってマスク中央ｃから左右３μｍ未満の領域の場合）と前記ストライプ幅（１．５μｍ）×２を足して９μｍ以上と見積もられる。
【００４４】
他方、前記マスク幅の上限値は、特に制約は無い。しかしながら、マスク基板に形成されたマスクが窒化物半導体膜で完全に被覆されるためには、マスク幅は３０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下が必要である。
【００４５】
また、前記マスク幅は、マスク基板に形成される窓部の窓部幅よりも広い方が好ましい。なぜならば、本発明の電流狭窄部分が形成され得る最も好ましい領域Ｉに、多くの窒化物半導体レーザ素子が形成され得るからである。加えて、窒化物半導体レーザ素子の素子不良率が減少するため好ましい。
【００４６】
（窓部幅について）
窓部の上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の全体が含まれる（領域ＩＩに作製される）場合、前記窓部の窓部幅の下限値は、上述の「マスク幅について」と同様にして見積もられ、５μｍ以上である。他方、マスクの上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分の一部が少なくとも含まれる場合、前記窓部幅の下限値は、領域ＩＶの幅に該当する２μｍ以上である。窓部幅の上限値については、特に制約は無い。しかしながら、窓部幅が広くなれば広くなる程、結晶歪みの緩和効果が小さくなるため、前記窓部幅の上限値は２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。
【００４７】
（マスクのストライプ方向について）
ストライプ状に作製されたマスクの、ストライプ方向が以下で説明される。結晶成長面が｛０００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体基板に作製されたマスクのストライプ方向、もしくは窒化物半導体基板に積層された結晶成長面が｛０００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体層に作製されたマスクのストライプ方向は、窒化物半導体基板に対して＜１−１００＞方向が最も好ましく、続いて＜１１−２０＞方向が好ましかった。これらの方向は、｛０００１｝Ｃ面内で±５度程度の開き角度を有していても上記関係は変わらなかった。
【００４８】
窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向に沿ってマスクが形成されることの優位性は、結晶歪みとクラック発生との抑制効果が非常に高いことである。このような方向に沿って形成されたマスクに窒化物半導体膜が被覆されると、前記窒化物半導体膜がマスク上で主に｛１１−２０｝ファセット面を形成しながら前記マスクを被覆した。この｛１１−２０｝ファセット面は窒化物半導体基板表面に対して垂直であって、なおかつマスクはエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜で構成されている。そのためか、｛１１−２０｝ファセット面から窒化物半導体が成長していた（図７（ａ）参照）。この成長は、該基板表面に対して水平方向に成長する（以後、横方向成長と呼ぶ）ため、結晶歪みとクラック発生の抑制効果が非常に高かったと考えられる。そして、マスクのストライプ方向が＜１−１００＞方向であることと、本発明の電流狭窄部分の最適位置との構成を用いることによって、より一層のレーザ発振の長寿命化とクラック抑制による素子不良率の低減が図られ得る。
【００４９】
他方、窒化物半導体基板の＜１１−２０＞方向に沿ってマスクが形成されることの優位性は、前記マスクが窒化物半導体膜で埋められたとき、前記マスクの上方に位置する前記窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良いことである。また、図７（ｂ）に記された窪み部分が基板の上方から眺められると、ほとんど蛇行することなく窒化物半導体膜で被覆された。窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好であって、なおかつ、前記窪みがほとんど蛇行することなく窒化物半導体膜で被覆されると、本発明の領域Ｉに形成された電流狭窄部を有する窒化物半導体素子の、素子不良率が低減し得た。これは以下の理由からだと考えられる。このような方向に沿って形成されたマスクに窒化物半導体膜が被覆されると、前記窒化物半導体膜がマスク上で主に｛１−１０１｝ファセット面を形成しながら、前記マスクを被覆していた。この｛１−１０１｝ファセット面は非常に平坦でかつ前記ファセット面と結晶成長面とが接するエッジ部分も非常に急峻であった（図７（ｂ））。このことが窒化物半導体膜の表面モフォロジーに寄与したのではないかと考えられる。
【００５０】
前述のマスク（または窓部）は全てストライプ形状であったが、マスク（または窓部）がストライプ形状であることは以下の点において好ましい。窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分は主にストライプ形状であり、前記電流狭窄部分の最適位置（領域Ｉおよび／または領域ＩＩ）もストライプ形状である。そのため、前記電流狭窄部分を前記最適位置に造りこむことが容易になる。
【００５１】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体膜について）
本発明の電流狭窄部分の最適位置とマスク基板を被覆する窒化物半導体膜の構成において、前記窒化物半導体膜が、ＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはＩｎＧａＮ膜であると、以下の効果が得られる。ここで、前記窒化物半導体膜はその膜中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物を添加することができる。
【００５２】
前記窒化物半導体膜がＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。ＧａＮ膜は２元混晶であるため、結晶成長の制御性が良く、製造方法において容易である。また、ＧａＮの表面マイグレーション長はＡｌＧａＮ膜のそれと比較して長く、ＩｎＧａＮ膜のそれと比較して短いため、マスクを完全かつ平坦に被覆しつつ、適度な横方向成長を得ることができる。この横方向成長が促進されると、マスク上方に被覆された窒化物半導体膜中の結晶歪が緩和され得る。窒化物半導体膜として利用されるＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０17／ｃｍ3以上８×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲で不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好になって、発光層の層厚が均一化され、素子特性が向上し得る。
【００５３】
次に、前記窒化物半導体膜がＡｌＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。ＡｌＧａＮ膜がマスク基板を被覆すると、マスク上方にボイドが形成されにくく、クラックの発生率が抑制された。また、レーザ発振寿命特性が向上した。これは、以下の理由からだと考えられる。
【００５４】
ＡｌＧａＮ膜は、少なくとも窒化物半導体膜にＡｌが含有されているため、ＧａＮ膜やＩｎＧａＮ膜と比べて表面マイグレーション長が短い。この表面マイグレーション長が短いと言う事は、Ａｌを含まないその他の窒化物半導体膜と比べてＡｌＧａＮ膜はマスクに付着され易いことを意味する。このことが、マスク上方にボイドを形成させにくくし、前記ボイドからのクラック発生を抑制し得たと考えられる。また、表面マイグレーション長が短いため、図７で説明されたファセット面の側壁から窒化物半導体膜が結晶成長し易く、横方向成長がより顕著になって、結晶歪みが緩和され、結果的にレーザ発振寿命特性が向上したと考えられる。
【００５５】
さらに、ＡｌＧａＮ膜について調べたところ、ＡｌxＧａ1-xＮ膜のＡｌの組成比ｘは、０．０１以上０．１５以下が好ましく、さらに好ましくは、０．０１以上０．０７以下であった。Ａｌの組成比ｘが０．０１よりも小さいと、ボイドの発生を抑制することが難しくなり得る。一方、Ａｌの組成比ｘが０．１５よりも大きくなると、前述の表面マイグレーション長が短くなり過ぎて（横方向成長が不十分）、マスク上方の結晶歪の緩和効果が得られ難くなる可能性がある。
【００５６】
本発明はＡｌＧａＮ膜に限らず、少なくとも窒化物半導体膜にＡｌが含有されていれば上記と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体膜として利用されるＡｌＧａＮ膜の不純物濃度は、３×１０17／ｃｍ3以上８×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲でＡｌと共に不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面マイグレーション長が短くなって好ましい。このことによって、より一層の結晶歪を緩和させることが可能となる。
【００５７】
次に、前記窒化物半導体膜がＩｎＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。ＩｎＧａＮ膜がマスク基板を被覆すると、電流狭窄部部分が作製される領域（領域Ｉまたは領域ＩＩ）の違いによって、レーザ発振寿命の相違が小さくなった。このことによって、素子不良率が低減した。これは、以下の理由からだと考えられる。
【００５８】
ＩｎＧａＮ膜は、少なくとも窒化物半導体膜にＩｎが含有されているため、ＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜と比べて弾性力がある。そのため、ＩｎＧａＮ膜はマスクを埋めて、窒化物半導体基板からの結晶歪を窒化物半導体膜全体に伝播させ得る。これは、マスク上方の結晶歪と窓部上方の結晶歪との間の差異を緩和させる働きがあると考えられる。
【００５９】
さらに、ＩｎＧａＮ膜について調べたところ、ＩｎxＧａ1-xＮ膜のＩｎの組成比ｘは、０．０１以上０．１８以下が好ましく、さらに好ましくは０．０１以上０．１以下であった。Ｉｎの組成比ｘが０．０１よりも小さいと、前述のＩｎが含有されたことによる弾性力の効果が得られにくくなる可能性がある。また、Ｉｎの組成比ｘが０．１８よりも大きくなると、ＩｎＧａＮ膜の結晶性が低下してしまう可能性がある。
【００６０】
本発明はＩｎＧａＮ膜に限らず、少なくとも窒化物半導体膜にＩｎが含有されていれば上記と同様の効果が得られる。また、窒化物半導体膜として利用されるＩｎＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０17／ｃｍ3以上４×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲でＩｎと共に不純物が添加されると、窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好であってかつ弾力性を保有し得るので好ましい。
【００６１】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体膜の膜厚について）
マスク基板が、窒化物半導体膜で完全に被覆されるためには、前記マスク基板を被覆する窒化物半導体膜の被覆膜厚は、およそ２μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。ここで、被覆膜厚とは、平坦な窒化物半導体基板に、直接窒化物半導体膜を成長させたとき、前記窒化物半導体膜の膜厚であると定義する。前記被覆膜厚が２μｍよりも薄くなると、マスク基板に形成されたマスク幅や窓部幅にも依存するが、概ね窒化物半導体膜でマスク基板を完全かつ平坦に被覆させることが困難になり得る。一方、前記被覆膜厚が３０μｍよりも厚くなると、マスク基板による横方向成長よりも垂直方向（基板表面に対して垂直方向）の成長の方が次第に強くなり、結晶歪の緩和効果が充分に発揮されにくくなる。
【００６２】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、膜付きマスク基板に作製されたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の作製方法が説明される。ここで、膜付きマスク基板とは、前述で定義されたように、マスク基板に窒化物半導体膜が被覆された基板である。その他の本発明に係る事柄については、実施の形態１と同じである。
【００６３】
（膜付きマスク基板の作製方法）
膜付きマスク基板の作製方法が図３を用いて説明される。図３の模式図は、ＧａＮ基板１０１（窒化物半導体基板の一例）上に作製されたマスク２００から構成されるマスク基板と、前記マスク基板上にｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ膜１０２（窒化物半導体膜の一例）が被覆された膜付きマスク基板を表している。
【００６４】
まず、前記マスク基板は、以下のようにして作製される。面方位が（０００１）面であるＧａＮ基板１０１表面に、ＳｉＯ2から構成される成長抑制膜が厚さ０．１μｍで蒸着された。前記成長抑制膜は、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）または、スパッタリング法により蒸着された。その後、従来のリソグラフィー技術を用いて、ＧａＮ基板１０１の＜１−１００＞方向に沿って、ストライプ状のマスク２００が形成された。前記ストライプ状のマスク２００は、マスク幅が１３μｍ、窓部幅が７μｍで形成された。このようにして、本実施の形態２のマスク基板が完成された。
【００６５】
次に、前記マスク基板が十分に有機洗浄され、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置に搬送された。そして、前記マスク基板に、成長温度１０５０℃の条件の下、Ｖ族原料のＮＨ3（アンモニア）、ＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）および同じくＩＩＩ族原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）が供給され、さらに前記原料にＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が添加されて、厚さ１５μｍのｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ膜１０２（窒化物半導体膜の一例）が積層された。このようにして、本実施の形態２の膜付きマスク基板１００が完成された（図３）。
【００６６】
上記で説明された成長抑制膜は、ＳｉＯ2以外にＳｉＮx、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、タングステンまたはモリブデンなどで構成されても構わない。
【００６７】
上記で説明されたストライプ状のマスクのストライプ方向は、ＧａＮ基板１０１（窒化物半導体基板の一例）に対して＜１−１００＞方向に沿って形成されたが、ＧａＮ基板１０１に対して＜１１−２０＞方向に沿って形成されても構わない。
【００６８】
上記で説明された窒化物半導体基板は、（０００１）面を有するＧａＮ基板１０１が用いられたが、その他の面方位およびその他の窒化物半導体基板が用いられても構わない。窒化物半導体基板の面方位に関しては、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、｛１−１０１｝面などを用いることが好ましい。また、上記面方位から２度以内のオフ角度を有する基板であれば表面モフォロジーが良好である。さらに、その他の窒化物半導体基板として、たとえば、窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層が該クラッド層の外側に接していることが好ましく、ＡｌＧａＮ基板が好ましく用いられる。
【００６９】
（リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法）
次に、前記膜付きマスク基板に作製される窒化物半導体レーザ素子が「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」、その「プロセス工程」およびその「パッケージ実装」に分けて順次説明される。
【００７０】
図１は膜付きマスク基板上に成長された窒化物半導体レーザ素子が、チップ分割された後の窒化物半導体レーザ素子チップを表している。
【００７１】
図１の窒化物半導体レーザ素子チップは、膜付きマスク基板１００、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２、ＳｉＯ2誘電体膜１１３およびｎ型電極パッド１１４から構成される。ただし、前記膜付きマスク基板１００は、ＧａＮ基板１０１、マスク２００およびｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ膜１０２から構成されている。
【００７２】
以下に、窒化物半導体レーザ素子の製造方法が詳細に説明される。ＭＯＣＶＤ装置を用いて、前記膜付きマスク基板１００に、Ｖ族原料のＮＨ3とＩＩＩ族原料のＴＭＧａまたはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）のＩＩＩ族原料とＳｉＨ4が加えられ、８００℃の成長温度でｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３が４０ｎｍ成長された。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＴＭＡｌまたはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料が用いられて、１．２μｍ厚のｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が成長され、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が０．１μｍ成長された。
【００７３】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、３周期の、厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層から構成された発光層（多重量子井戸構造）１０６が、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長された。その際、障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3）が添加された。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、１秒以上１８０秒以内の成長中断が実施されても構わない。このことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。
【００７４】
発光層にＡｓが添加される場合はＡｓＨ3（アルシン）またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を、発光層にＰが添加される場合はＰＨ3（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）を、発光層にＳｂが添加される場合はＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）をそれぞれ添加すると良い。また、発光層が形成される際、Ｎ原料として、ＮＨ3以外にＮ2Ｈ4（ジメチルヒドラジン）が用いられても構わない。
【００７５】
次に、基板温度が再び１０５０℃まで昇温されて、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９と０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次成長された。前記ｐ型不純物としてＭｇ（ＥｔＣＰ2Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3で添加された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純物濃度は、ｐ電極１１２の方向に向かって、ｐ型不純物濃度を多くした方が好ましい。このことによりｐ電極形成によるコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入されても構わない。
【００７６】
この様にして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が成長された後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内が全窒素キャリアガスとＮＨ3に変えられ、６０℃／分で温度が降下された。基板温度が８００℃に達した時点で、ＮＨ3の供給量が停止され、５分間、前記基板温度で待機されてから、室温まで降下された。上記基板の保持温度は６５０℃から９００℃の間が好ましく、待機時間は、３分以上１０分以下が好ましかった。また、降下温度の到達速度は、３０℃／分以上が好ましい。このようにして作製された成長膜がラマン測定によって評価された結果、前記手法により、従来のｐ型化アニールが実行されなくても、成長後すでにｐ型化の特性が示されていた（Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。上記に加えて従来のｐ型化アニールが組み合わせられれば、Ｍｇの活性化率がより向上して好ましかった。
【００７７】
上記で説明されたＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であっても構わないし、ＩｎＧａＮクラック防止層自体がなくても構わない。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合は、前記ＩｎＧａＮクラック防止層が挿入された方がクラック防止の点でより好ましい。
【００７８】
上記で説明された発光層１０６は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、井戸層の層数は、前述の３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。特に２層以上６層以下のとき閾値電流密度が低く好ましかった。さらに上記で説明された発光層に、Ａｌが含有されても構わない。
【００７９】
上記で説明された発光層１０６は、井戸層と障壁層との両層にＳｉ（ＳｉＨ4）が１×１０18／ｃｍ3添加されたが、Ｓｉが添加されなくても構わない。しかしながら、Ｓｉが発光層に添加された方が発光強度は強かった。発光層に添加される不純物は、前記Ｓｉ以外にＯ、Ｃ、Ｇｅ、ＺｎもしくはＭｇの不純物群のうち、少なくともいずれかの不純物が添加されても構わない。また、前記不純物群の添加量の総和は、約１×１０17〜８×１０18／ｃｍ3程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は、井戸層と障壁層との両層に限らず片方の層のみに前記不純物が添加されても良い。
【００８０】
上記で説明されたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．２以外であっても構わないし、キャリアブロック層自体が無くても構わない。しかしながら、前記キャリアブロック層を設けた方が閾値電流密度が低くかった。これは、キャリアブロック層が発光層にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。前記キャリアブロック層のＡｌ組成比は、高くすることによってキャリアの閉じ込めが強くなって好ましい。また、キャリアの閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなり電気抵抗が低くなって好ましい。
【００８１】
上記の説明では、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層として、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ結晶が用いられたが、Ａｌの組成比が０．１以外のＡｌＧａＮ３元結晶であっても構わない。Ａｌの混晶比が高くなると発光層とのエネルギーギャップ差および屈折率差が大きくなり、キャリアや光が該発光層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度の低減が図られる。また、キャリアおよび光の閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。
【００８２】
上記で説明されたＡｌＧａＮクラッド層の厚みは、０．７μｍ〜１．５μｍが好ましい。このことにより、垂直横モードの単峰化と光り閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレーザ閾値電流密度の低減が図れる。
【００８３】
上記で説明されたクラッド層は、ＡｌＧａＮ３元混晶であったが、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓなどの４元混晶であっても良い。さらに、ｐ型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とからなる超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層とからなる超格子構造を有していても良い。
【００８４】
上記では、ＭＯＣＶＤ装置による結晶成長方法が説明されたが、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）が用いられても構わない。
【００８５】
（プロセス工程）
続いて、前述の「リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法」で作製されたエピウエハーがＭＯＣＶＤ装置から取り出され、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するためのプロセス工程が説明される。ここで、窒化物半導体レーザ素子を作製し終えた前記エピウエハーの表面は平坦であり、マスク基板に形成されたマスクおよび窓部は窒化物半導体膜と発光素子構造とで完全に埋没されていた。
【００８６】
ｎ電極１１１は、ドライエッチング法を用いて、エピウエハーの表側からｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ膜１０２を露出させてから、Ｈｆ／Ａｌの順序で形成された。そして、前記ｎ電極１１１の上にｎ型電極パッド１１４としてＡｕが蒸着された。前記ｎ電極材料の他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＭｏまたはＨｆ／Ａｕなどが用いられても構わない。ｎ電極にＨｆが用いられるとｎ電極のコンタクト抵抗が下げられるため好ましい。マスク基板は、窒化物半導体基板で構成されているため、マスク基板の裏面側からｎ電極が形成されても構わない（図８参照のこと）。ただし、前記窒化物半導体基板は、ｎ型の極性を有するように不純物がドーピングされる必要がある。
【００８７】
ｐ電極部分は、マスクのストライプ方向と同じ方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部（図１）が形成された。前記リッジストライプ部は、マスク中央から４μｍ離れた位置に領域ＩＩＩを除くようにして形成された。前記リッジストライプ部の幅は１．７μｍであった。その後、ＳｉＯ2誘電体膜１１３が蒸着され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が露出されて、ｐ電極１１２がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着されて形成された。前記ｐ電極材料の他に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕのいずれかが用いられても構わない。
【００８８】
最後に、前記エピウエハーは、前記リッジストライプ方向に対して垂直方向にへき開され、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器が作製された。共振器長は一般に３００μｍから１０００μｍが好ましい。マスクのストライプ方向が＜１−１００＞方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶のＭ面（｛１−１００｝面）である。共振器端面を形成するためのへき開および窒化物半導体レーザ素子のチップ分割は、マスク基板の裏面側からスクライバーで行われた。ただし、前記へき開は、ウエハー全面にスクライバーによる罫書き傷がつけられてからへき開されるのではなく、ウエハーの一部、たとえば、ウエハーの両端にのみスクライバーによる罫書き傷がつけられてへき開された。これらのことにより、共振器端面の急峻性やスクライブによる削りカスがエピ表面に付着しないため歩留まりが向上する。前記レーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が用いられても構わない。前記ファブリ・ペロー共振器の共振器端面が形成された後、該端面に７０％の反射率を有するＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜が交互に蒸着され、誘電体多層反射膜が形成された。前記誘電体材料以外に、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3が誘電多層反射膜として用いられても構わない。以上のようにして図１の窒化物半導体レーザ素子チップが作製された。
【００８９】
（パッケージ実装）
次に、上記半導体レーザ素子チップがパッケージに実装される方法について述べられる。高出力（３０ｍＷ以上）窒化物半導体レーザ素子チップは、放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、前記高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、Ｉｎはんだ材を用いて、Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｄｏｗｎでパッケージ本体に接続されることが好ましい。また、前記高出力窒化物半導体レーザ素子チップは、直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けられるのではなく、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＳｉＣまたはＡｕのいずれかのサブマウントを介して接続されても構わない。
【００９０】
以上の結果、本発明の最適位置に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が作製されることによって、レーザ出力３０ｍＷ、雰囲気温度６０℃の条件の下、レーザ発振寿命約１３０００時間が達成された。
【００９１】
本実施の形態２で述べられたリッジストライプ部の形成位置、マスク幅および窓部幅は、前述の実施の形態１で述べた条件を満足していれば、その他の数値で作製されても構わない。
【００９２】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、実施の形態２で述べられたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子を、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子（図４（ｂ））に変えた事以外は実施の形態１または実施の形態２と同様である。
【００９３】
以下に電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子が、図９を用いて説明される。
図９は、膜付きマスク基板１００、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第１クラッド層１０９ａ、電流阻止層１２０、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層１０９ｂ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２から構成される。
【００９４】
電流阻止層１２０は、ｐ型電極１１２から注入された電流が、図９で示された電流阻止層間幅のみを通過できるように電流を阻止する層であれば良い。たとえば、電流阻止層１２０として、ｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を用いても良い。前記電流阻止層のＡｌ組成比は０．２５に限らず、その他の値でも構わない。
【００９５】
本実施の形態３では、マスク基板に形成されたマスクの幅が１０μｍ、窓部の幅が５μｍ、マスクの厚みが０．１μｍおよび電流阻止層間幅が１．８μｍで作製された。また、２つの電流阻止層１２０に挟まれた部分の一端が、マスク中央から３μｍ離れた位置に形成され、なおかつ前記２つの電流阻止層１２０に挟まれた部分がマスク中央の上方を含まないように作製された（本発明の領域Ｉに該当する位置）。
【００９６】
（実施の形態４）
本実施の形態４は、窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層上に、マスクが作製されたこと意外は、実施の形態１から３のいずれかと同様である。
本実施の形態４の、膜付きマスク基板の作製方法が以下で説明される。
【００９７】
まず、面方位が（０００１）面であるＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）がＭＯＣＶＤ装置に装填された。そして、５５０℃の成長温度で、ＮＨ3とＴＭＧａが前記ＧａＮ基板に供給されて、低温ＧａＮバッファ層が形成された。次に、成長温度が１０５０℃まで昇温され、ＮＨ3、ＴＭＧａおよびＳｉＨ4が供給されて、前記低温ＧａＮバッファ層上にｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体層の一例）が形成された。前記ｎ型ＧａＮ層が形成された後、該基板がＭＯＣＶＤ装置から取り出された。
【００９８】
続いて、ＭＯＣＶＤ装置から取り出された該基板の前記ｎ型ＧａＮ層の表面に、ＳｉＮxから構成される成長抑制膜が厚さ０．１５μｍで蒸着された。前記ＳｉＮxは、スパッタリング法で蒸着された。その後、従来のリソグラフィー技術を用いて、前記ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って、ストライプ状のＳｉＮxのマスクが形成された。前記マスクは、マスク幅が８μｍ、窓部幅が２μｍで形成された。このようにして、本実施の形態４のマスク基板が完成された。
【００９９】
次に、前記マスク基板が十分に有機洗浄され、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置に搬送された。そして、前記マスク基板に、成長温度１０５０℃の条件の下、Ｖ族原料のＮＨ3、ＩＩＩ族原料のＴＭＧａおよびＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が供給されて、厚さ２０μｍのＧａＮ膜（窒化物半導体膜の一例）が積層された。このようにして、本実施の形態４の膜付きマスク基板が完成された。
【０１００】
本実施の形態４で説明された低温ＧａＮバッファ層は、低温ＡｌxＧａ1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）であれば良く、また、前記低温バッファ層自体が形成されなくても構わない。しかしながら、現在、供給されているＧａＮ基板は表面モフォロジーが好ましくないため、低温ＡｌxＧａ1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）が挿入された方が、表面モフォロジーが改善されて好ましい。ここで、低温バッファ層とは、約４５０℃〜６００℃の成長温度で形成されるバッファ層のことを指す。これらの成長温度範囲で作製されたバッファ層は多結晶もしくは非晶質である。
【０１０１】
本実施の形態４で述べられたマスク基板に形成されるマスク幅および窓部幅は、実施の形態１で述べた条件を満足していれば、その他の数値で作製されても構わない。
【０１０２】
本実施の形態４の膜付きマスク基板の作製方法に関わるその他の事柄については、実施の形態１と同様である。
【０１０３】
（実施の形態５）
本実施の形態５は、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素を窒化物半導体レーザ素子の発光層に含有したこと以外は、上記実施の形態１から実施の形態４のいずれかと同様である。
【０１０４】
本発明は、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれかの元素が、窒化物半導体発光レーザ素子を構成している発光層のうち少なくとも井戸層に含有される。このとき、前記井戸層に含有された元素群の総和の組成比をＸとし、同じく前記井戸層のＮ元素の組成比をＹとするとき、ＸはＹよりも小さく、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）は０．３（３０％）以下であり、好ましくは０．２（２０％）以下である。また、前記元素群の総和の下限値は、１×１０18／ｃｍ3以上である。前記元素群の総和の組成比Ｘが２０％よりも高くなると、井戸層内のある領域ごとに前記元素の組成比の異なる濃度分離が次第に生じ始める。さらに前記元素群の総和の組成比Ｘが３０％よりも高くなると、今度は濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて井戸層の結晶性が低下し始める。一方、前記元素群の総和の添加量が１×１０18／ｃｍ3よりも小さくなると、井戸層に前記元素を含有したことによる効果が得られにくくなる。
【０１０５】
本実施の形態５による効果は、井戸層に前記元素群のうち少なくともいずれかの元素が含有されることによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小さく、また、井戸層の電子とホールの移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、前者は少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子・ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。すなわち、現在報告されている、発光層にＡｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち何れも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子と比べて、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度が低く、自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザを作製することが可能である。
【０１０６】
（実施の形態６）
本実施の形態６は、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に適用された場合について説明される。
【０１０７】
本発明による青紫色（３８０〜４２０ｎｍの発振波長）窒化物半導体レーザ素子は半導体光学装置、たとえば光ピックアップ装置に利用されると以下の点において好ましい。前記窒化物半導体レーザ素子は、高出力（３０ｍＷ）、高温雰囲気中（６０℃）で安定して動作し、なおかつレーザ発振寿命が長寿命であることから、信頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（発振波長が短いほど、より高密度に記録再生が可能となる）。
【０１０８】
図１０に本発明の窒化物半導体レーザ素子が半導体光学装置に利用された一例として、光ディスク装置（光ピックアップを有する装置。たとえば、ＤＶＤ装置など）の概略図が示される。図１０のレーザ光は、入力情報に応じて光変調器で変調され、レンズを通してディスク上に記録される。再生時は、ディスク上のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光がスプリッターを通して光検出器で検出され、再生信号となる。これらの動作は制御回路によって制御される。レーザ出力については、通常、記録時は３０ｍＷで、再生時は５ｍＷ程度である。
【０１０９】
本発明は、上記光ピックアップ装置を有する光ディスク装置の他に、たとえば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクターなどにも利用可能である。
【０１１０】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
以上のように本発明によれば、レーザ発振寿命の長寿命化を有する窒化物半導体レーザ素子と前記窒化物半導体レーザ素子を利用した半導体光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】マスク基板に窒化物半導体膜が被覆される状態を表した図である（ｎ電極とｐ電極は、互いに同一の向きで配置される）。
【図２】マスク基板の一例を示した模式図であり、そのうち（ａ）はマスク基板の一例の断面を、（ｂ）はマスク基板の一例の上面を、それぞれ表している。
【図３】膜付きマスク基板の一例である。
【図４】窒化物半導体レーザ構造の模式図であり、そのうち（ａ）はリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の一例であり、（ｂ）は電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の一例である。
【図５】膜付きマスク基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係が表された図である。
【図６】窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が膜付きマスク基板上に作製され得る、好ましい作製領域が表された模式図である。
【図７】マスク基板に窒化物半導体膜が被覆される様を表した図であり、そのうち（ａ）は｛１１−２０｝ファセット面から窒化物半導体が成長する様子を示す図で、（ｂ）は窪み部分が窒化物半導体膜で被覆される様子を示す図である。
【図８】リッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子チップである（ｎ電極とｐ電極は、互いに対向する位置に配置される）。
【図９】電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップの一例である。
【図１０】本発明を用いた半導体光学装置の一例である（光ピックアップ装置）。
【符号の説明】
【０１１３】
１００  膜付きマスク基板、１０１  ＧａＮ基板、１０２  ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ膜、１０３  ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層、１０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６  発光層、１０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、１０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１  ｎ電極、１１２  ｐ電極、１１３  ＳｉＯ2誘電体膜、１１４  ｎ型電極パッド、１２０  電流阻止層、２００  マスク。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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