(57)【要約】【課題】共振器の長手方向に対して交差する分割線によって電気的に２領域以上に分離されている窒化物半導体レーザ素子において、自励発振に関わる特性と、通常の半導体レーザとしての特性とを両立する。【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを含み、該ｐ側電極および該ｎ側電極のうち少なくとも一方は、該共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離されており、前記分割領域によって分離された少なくとも１領域の可飽和吸収領域の非励起状態のキャリア密度が、他の少なくとも１領域である利得領域の活性層の非励起状態のキャリア密度よりも高いことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを含み、
前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のうち少なくとも一方は、前記共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離されており、
前記分割領域によって分離された少なくとも１領域の可飽和吸収領域における活性層の非励起状態のキャリア密度が、他の少なくとも１領域の利得領域における活性層の非励起状態のキャリア密度よりも高い、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記分割領域によって分離された少なくとも１領域の可飽和吸収領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されることにより短絡領域を形成するとともに、該短絡された電極以外の少なくとも１領域の利得領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されていない非短絡領域を形成する、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記可飽和吸収領域における活性層は、前記利得領域における活性層よりも多くのｐ型不純物および／またはｎ型不純物を含む、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】
前記利得領域における活性層は、ｐ型不純物およびｎ型不純物を含まない、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層は、ｐｎ接合による内部電界とは反対方向のピエゾ電界を有する、請求項１〜４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層は、（０００＋１）面を上面とするＧａＮ基板上に形成される、請求項１〜５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層は、１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とからなる量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する、請求項１〜６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記可飽和吸収領域における活性層は、前記利得領域における活性層よりも多くのｐ型不純物を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記ｐ型不純物は、Ｍｇである、請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体レーザ素子は、自励発振特性を備える、請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子を光源として用いた光ディスク装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子を用いた画像表示装置。
【請求項１３】
基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、
前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のうち少なくとも一方を該共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程と、
前記分割領域によって分離された少なくとも１領域に選択的にイオン注入によって不純物を添加する工程とを有する、窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】
基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、
前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のうち少なくとも一方を該共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程と、
前記分割領域によって分離された少なくとも１領域に選択的に金属膜、あるいは酸化物または窒化物の熱拡散膜を形成してから熱処理を行なうことにより前記金属膜または前記熱拡散膜の構成元素を前記活性層に拡散させる工程とを有する、窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】
基板に選択的に欠陥誘発領域を形成する工程と、
前記基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、
前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のうち少なくとも一方を前記共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程とを有する、窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記欠陥誘発領域は、不純物をイオン注入することにより形成される、または不純物を熱拡散により添加することにより形成される、請求項１５に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記欠陥誘発領域は、イオン照射または電子線照射により形成される、請求項１５に記載の窒化物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、窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電極が電気的に２領域以上に分離されている窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、窒化物半導体レーザ素子は、たとえば記憶容量の大きな光ディスク装置、より具体的にはＢＤ（Blu-ray Disk）の読み取り用および書き込み用の光源などに多く用いられている。
【０００３】
しかしながら、窒化物半導体レーザ素子を光源として用いたＢＤの読み取りおよび書き込みにおいても、ＣＤ（Compact Disk）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）といった旧来の光ディスク装置と同様に、ディスク面から窒化物半導体レーザ素子への戻り光雑音が問題となっている。
【０００４】
戻り光雑音を低減するための対策としては、従来から主に２つの方法が用いられている。その一つ目の方法は、駆動電流を変調させる高周波重畳を利用する方法であり、もう一つの方法は、窒化物半導体レーザ素子自らが出力変動を行なう自励発振特性を利用する方法である。これらのいずれの方法も多モード発振状態にして可干渉性を低下させることで、戻り光雑音を改善している。
【０００５】
後者の自励発振特性を利用する方法は、高周波回路をシステムに組み込む必要がない。このため、自励発振特性を利用する方法は、高周波重畳を利用する方法よりも、窒化物半導体レーザ素子を低コストかつ小型にすることができる。しかしながら、窒化物半導体レーザ素子を用いたＢＤは、高周波重畳を利用する方法のみが実現されており、自励発振特性を利用した自励発振型レーザ素子を用いる方法は未だ実用化されていない。
【０００６】
自励発振型レーザ素子を使用するためには、可飽和吸収領域を窒化物半導体レーザ素子の内部に形成する必要がある。その形成方法としては、主に３つのタイプがある。
【０００７】
第１のタイプは、活性層の上部および／または下部に可飽和吸収の機能を有する層を設けるタイプである。
【０００８】
第２のタイプは、ストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、横方向の屈折率差（Δｎ）を小さくして活性層における光閉じ込めを弱めて、横方向の光分布を電流分布に対して広げることで、利得領域の横方向近隣領域（ストライプ部の外側の活性層）を可飽和吸収領域として利用するタイプである。
【０００９】
第３のタイプは、電極を２領域以上に分離することにより電流が注入されない電流非注入領域を共振器の長手方向の一部に設けて、この電流非注入領域を可飽和吸収領域として利用するタイプ（「分離電極タイプ」）である。
【００１０】
これらの３タイプのうち、分離電極タイプは、通常の実用化されている窒化物半導体レーザ素子から、半導体層の構造を変えることなく、容易なプロセスで作製することができる。特開２００４−１８６６７８号公報（特許文献１）には、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子を自励発振させる技術が開示されている。具体的には、可飽和吸収領域として機能する電流非注入領域に対応するｐ側電極とｎ側電極とを電気的に短絡させる手法、およびｐｎ接合に逆バイアスを印加する手法が開示されている。また、特開２００７−０８１１９６号公報（特許文献２）には、電流非注入領域を利得領域で発生したレーザ光の検知に用いる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１８６６７８号公報
【特許文献２】特開２００７−０８１１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
自励発振させるためには、可飽和吸収領域におけるキャリア寿命を短くする必要がある。キャリア寿命をより短くして、自励発振特性を示すトレランスを大きくすることにより、広い温度範囲で自励発振特性を示し、かつ長時間の使用後にも自励発振特性を維持することができる。
【００１３】
キャリア寿命を短くするためには、半導体層に生じる内部電界を利用する手法が有効で、内部電界が可飽和吸収領域の光吸収により生じたキャリアを活性層から掃き出させることにより、キャリア寿命を短くすることができる。半導体層に生じる内部電界を強めるためには、可飽和吸収領域のｐｎ接合に対して逆バイアスを印加すればよい。ｐｎ接合に対して逆バイアスを印加することにより、空乏層に生じる内部電界を大きくするとともに、空乏層領域を拡げることができるので、キャリア寿命を短くすることができる。そして、可飽和吸収領域に位置するｐ側電極とｎ側電極とを短絡させることにより、内部電界の効果で短くなったキャリア寿命をさらに短くすることができる。
【００１４】
しかしながら、自励発振特性を有する窒化物半導体レーザ素子をＢＤの光源として実用化するためには、逆バイアスを印加する機構を新たに設ける必要があり、システムの簡略化や小型化の観点から望ましくない。よって、ＢＤの光源として実用化するためには、ｐ側電極とｎ側電極とを短絡させる手法のみにより、自励発振特性を得る必要があると考えられる。
【００１５】
この点に関し、特許文献１によると、窒化物半導体はＧａＡｓ系に比べてバンドキャップが大きいことにより内部電界が大きくなり、以ってキャリア寿命を短縮することができる。しかしながら、ｐ側電極とｎ側電極との短絡のみで実用化に耐え得る自励発振特性を得るためには、キャリア寿命をより短くする必要がある。
【００１６】
一方、自励発振型半導体レーザ素子では、閾値電流近傍で光出力が急激に立ち上がるという難点がある。しかし、キャリア寿命を短くすることにより、可飽和吸収領域を小さくしても自励発振特性を示すようにすれば、このような問題に対しても有効となる可能性がある。
【００１７】
また、特許文献２には、電流非注入領域を利得領域で発生したレーザ光の検知に用いる技術が開示されている。特許文献２では、光吸収により生じたキャリアが活性層から掃き出される際に発生する光誘起電流を検知に用いる電流として利用する。
【００１８】
上述のようにキャリア寿命を短縮することにより自励発振特性を示すことができれば、光誘起電流を増加することができ、レーザ光の検知にも用いることができる。光誘起電流が増加すると、レーザ光の検知の際の精度を向上させることができる他、電流非注入領域に印加するバイアス電圧のトレランスを増大することができる。
【００１９】
以上のように、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くすることにより多大なメリットを享受する。しかしながら、従来の分離電極タイプの自励発振型半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域とレーザ発振を生じる利得領域とで、同一の半導体層を有する。このため、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くすることを目的として半導体層に処置を施すと、必然的にその影響が利得領域にも及んでしまう。
【００２０】
その結果、自励発振に関わる特性と、通常の窒化物半導体レーザ素子としての特性とを両立することが困難となる。よって、本発明の課題は、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子において、自励発振に関わる特性と、通常の窒化物半導体レーザ素子としての特性とを両立することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを含み、ｐ側電極およびｎ側電極のうち少なくとも一方は、共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離されており、分割領域によって分離された少なくとも１領域の可飽和吸収領域における活性層の非励起状態のキャリア密度が、他の少なくとも１領域の利得領域における活性層の非励起状態のキャリア密度よりも高いことを特徴とする。
【００２２】
分割領域によって分離された少なくとも１領域の可飽和吸収領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されることにより短絡領域を形成するとともに、該短絡された電極以外の少なくとも１領域の利得領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されていない非短絡領域を形成することが好ましい。
【００２３】
可飽和吸収領域における活性層は、利得領域における活性層よりも多くのｐ型不純物および／またはｎ型不純物を含むことが好ましい。
【００２４】
利得領域における活性層は、ｐ型不純物およびｎ型不純物を含まないことが好ましい。
活性層は、ｐｎ接合による内部電界とは反対方向のピエゾ電界を有することが好ましく、（０００＋１）面を上面とするＧａＮ基板上に形成されることが好ましい。
【００２５】
活性層は、１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とからなる量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することが好ましい。
【００２６】
可飽和吸収領域における活性層は、利得領域における活性層よりも多くのｐ型不純物を含むことが好ましく、ｐ型不純物は、Ｍｇであることが好ましい。
【００２７】
窒化物半導体レーザ素子は、自励発振特性を備えることが好ましい。
本発明は、窒化物半導体レーザ素子を光源として用いた光ディスク装置でもあり、窒化物半導体レーザ素子を用いた画像表示装置でもある。
【００２８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、
ｐ側電極およびｎ側電極のうち少なくとも一方を該共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程と、
分割領域によって分離された少なくとも１領域に選択的にイオン注入によって不純物を添加する工程とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、
ｐ側電極およびｎ側電極のうち少なくとも一方を該共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程と、分割領域によって分離された少なくとも１領域に選択的に金属膜、酸化物または窒化物などの熱拡散膜を形成してから熱処理を行なうことにより金属膜または熱拡散膜の構成元素を活性層に拡散させる工程とを有することを特徴とする。
【００３０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、基板に選択的に欠陥誘発領域を形成する工程と、基板上に少なくともｎ型窒化物半導体層と活性層とｐ型窒化物半導体層とｐ側電極とｎ側電極と共振器とを形成する工程と、ｐ側電極およびｎ側電極のうち少なくとも一方を共振器の長手方向に対して交差する分割領域によって電気的に２領域以上に分離する工程とを有することを特徴とする。
【００３１】
欠陥誘発領域は、不純物をイオン注入することにより形成されることが好ましく、あるいは、イオン照射または電子線照射により形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、上記のような構成を有することにより、良好な自励発振特性と、良好な通常の窒化物半導体レーザ素子としての特性とを両立できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を示すリッジ構造中央部の模式的断面図である。
【図２】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を示す端面に平行な模式的断面図である。
【図３】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を示すｐ側電極側の模式的平面図である。
【図４】障壁層および井戸層のドーピング量を変えたときの、単一量子井戸のバンド構造の違いをシミュレーションしたグラフである。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子の図２とは異なる実施形態を示す端面に平行な模式的断面図である。
【図６】図５の活性層周辺を拡大した拡大断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体レーザ素子のパッド電極パターンの一例を示した平面図である。
【図８】本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法の一部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１実施形態）
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本明細書の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。
【００３５】
＜窒化物半導体レーザ素子＞
図１は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を模式的に示した断面図である。すなわち、図１は、窒化物半導体レーザ素子のリッジ構造中央部の共振器の長手方向に平行な断面図である。これに対し、図２も、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を模式的に示した断面図であるが、窒化物半導体レーザ素子の端面に平行な断面図であって、図１の断面図とは直交する方向の断面図である。一方、図３は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施形態を示すｐ側電極側の模式的平面図である。すなわち、図３は窒化物半導体レーザ素子のｐ側電極側を上方とした場合の上面図である。
【００３６】
図１〜図３に示されるような本発明の窒化物半導体レーザ素子１００は、基板１０上に少なくともｎ型窒化物半導体層２０と活性層３０とｐ型窒化物半導体層４０とｐ側電極７０とｎ側電極８０とを含むものである。ここで、ｎ側電極８０は、ｎ型窒化物半導体層２０に近い方の電極であり、ｐ側電極７０とはｐ型窒化物半導体層４０に近い方の電極である。
【００３７】
また、図２に示すように、本発明の窒化物半導体レーザ素子１００は、半導体層（好ましくはｐ型窒化物半導体層４０）の一部が除去されたリッジストライプ型の構造（単に「リッジ構造」とも記す）を有することが好ましい。この場合、リッジストライプ部５５以外の領域（すなわちリッジストライプ部５５の側面部およびその側面部に続く平面部）には絶縁膜６０が形成されていて、このリッジストライプ部５５の表面部（上面部）のみに電流は注入されることになる。したがって、図２におけるこのリッジストライプ部５５の表面部の幅とほぼ同等の幅を有し、活性層３０を中心として長手方向に広がる領域が共振器９０として作用する。本発明の窒化物半導体レーザ素子は、このような共振器９０を含むものであるが、図３の共振器９０の表記は共振器９０の長手方向の位置を示したものである。
【００３８】
なお、本発明において、「窒化物半導体」とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において、Ｖ族元素が窒素である場合の総称であるが、Ｖ族元素が窒素のみの場合に限られるものではなく、窒素の一部が他の元素に置換されていても本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００３９】
＜電極の分離＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ側電極７０およびｎ側電極８０のうち少なくとも一方は、共振器９０の長手方向に対して交差する分割領域９５によって電気的に２領域以上に分離されていることを要する。具体的には、たとえば図１および図３に示したように、ｐ側電極７０（分割領域９５によって分離される前の状態を仮定した場合の長手方向に連続して存在するｐ側電極）は、共振器９０の長手方向に対して交差する分割領域９５によってｐ側電極７１とｐ側電極７２とに分離される。ｐ側電極７１とｐ側電極７２とは、互いに電気的に分離されたものであり、便宜的にｐ側電極７１側の領域を第１領域９１と呼び、ｐ側電極７２側の領域を第２領域９２と呼ぶものとする。なお、図１および図３では、ｐ側電極７０が２領域に分離される態様を示しているが、このような領域は２領域以上に分離されていてもよい。また、ｎ電極８０が分離されていてもよい。分割領域９５には電極が形成されていないので、この分割領域９５によって分離される各々の領域は電気的に分離されるものとなる。
【００４０】
そして、第１領域９１に対して通常の窒化物半導体レーザ素子と同様に電流注入を行なうと、この領域がレーザ発振を生じさせる利得領域となる。なお、この場合、第１領域９１が上記でいう非短絡領域である。一方、第２領域９２に対しては電流注入を行なわないこととすると、この第２領域９２が可飽和吸収領域となる。この可飽和吸収領域とは、利得領域で発振されたレーザ光の一部を吸収し、その吸収量がこの領域におけるキャリア密度の増減に伴い変化する作用を有する領域となるため、このような可飽和吸収領域を有する本発明の窒化物半導体レーザ素子は自励発振特性を備えたものとなる。なお、このように２領域に分離されている場合だけではなく３領域以上に電極が分離されている場合も、電流注入の有無や大小によって、利得領域または可飽和吸収領域として機能する領域がそれぞれ少なくとも１領域以上形成されることになる。
【００４１】
なお、ｐ型窒化物半導体層４０は、ＧａＡｓ系の化合物半導体またはｎ型窒化物半導体層２０などに比べて極めて電気抵抗が高いという特徴を有する。このため、ｐ側電極７０を電気的に分離する方が、ｎ側電極８０を電気的に分離するよりも分割領域の幅を小さくしても、電気的に分離することができる。ここで、ｐ側電極７０を分割領域９５により分離する場合は、この分割領域９５の幅（ここでいう「幅」とは共振器９０の長手方向に平行な距離をいう）を１〜１０μｍ程度とするだけでも、電気的に分離することができる。
【００４２】
分割領域９５は、上述の通り電流注入が行なわれないので可飽和吸収領域として機能するが、電極がないためにキャリアの掃き出しを十分に行なうことができない。したがって、キャリア寿命が短くならず単なる吸収領域となる可能性があるので、自励発振特性の観点からはできるだけ分割領域の幅を小さくすることが好ましい。なお、分割領域の窒化物半導体層を除去することによっても電気的に分離することができる。
【００４３】
＜短絡＞
上記のように分割領域によって分離された少なくとも１領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されることにより短絡領域を形成するとともに、該短絡された電極以外の少なくとも１領域の電極は、該電極の反対側の電極との間で短絡されていない非短絡領域を形成することが好ましい。これを、図１および図３を例にとり具体的に説明すると次のようになる。
【００４４】
すなわち、第１領域９１に対して通常の窒化物半導体レーザ素子と同様に電流注入を行なうと、この領域がレーザ発振を生じさせる利得領域となる。この場合、第１領域９１が上記でいう非短絡領域である。なぜなら、ｐ側電極７１と、ｎ側電極８０（ｐ側電極７１の反対側の電極に相当する）とが短絡されることなく電流が注入されるからである。
【００４５】
これに対し、第２領域９２は電流が注入されず可飽和吸収領域となるものであるが、この第２領域９２において、さらにｐ側電極７２と、ｎ側電極８０（ｐ側電極７２の反対側の電極に相当する）とを短絡させることにより上記でいう短絡領域とする。このように可飽和吸収領域を短絡領域とすることにより、活性層で発生するキャリアの掃き出しを促進させることができ、以ってキャリア寿命を短くすることができる。
【００４６】
なお、図１および図３においては、このようなｐ側電極とｎ側電極との短絡を具体的に表わしていないが、このような短絡の手段としては、たとえばワイヤボンディング、導電性膜の両電極への接触など、種々の手法を用いることができる。
【００４７】
一方、上記のように両電極を電気的に短絡させるだけではなくバイアス電圧を印加させることによってもキャリア寿命を制御することができる。たとえば、キャリア寿命を短くするためには、ｐｎ接合に対して逆バイアス電圧を印加することが有効である。これは、逆バイアス電圧の印加により、内部電界が大きくなるとともに、さらに空乏層が拡がることで活性層へ掛かる電界が強まる結果、キャリアの掃き出しが促進されるからである。しかしながら、当該窒化物半導体レーザ素子の実用性を考慮すると、逆バイアス電圧を印加することなく、ｐ側電極とｎ側電極との短絡のみで自励発振特性を得ることが望まれる。
【００４８】
＜活性層の導電型＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、少なくとも１領域の可飽和吸収領域における活性層９７の非励起状態のキャリア密度が、他の少なくとも１領域の利得領域における活性層９６の非励起状態のキャリア密度よりも高いことを特徴とする。これを、図１を例にとり具体的に説明すると次のようになる。
【００４９】
すなわち、図１において第１領域９１に対して電流注入を行なわれるとすると、この領域がレーザ発振を生じさせる利得領域となり、一方、第２領域９２は電流注入が行なわれないため可飽和吸収領域となる。本発明は、第１領域９１における活性層９６のキャリア密度と、第２領域９２における活性層９７のキャリア密度とに着目したものであり、活性層９７の非励起状態のキャリア密度を、活性層９６の非励起状態のキャリア密度よりも高くすることを特徴とする。
【００５０】
このように活性層９７の非励起状態のキャリア密度を高くすることにより、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くすることができるため自励発振特性を良好なものにすることができるとともに、通常の窒化物半導体レーザ素子としての特性を良好なものにすることができる。
【００５１】
ここで、「非励起状態」とは光励起や外部バイアス印加によるキャリア注入を行なっていない状態を指すものであり、本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、利得領域および可飽和吸収領域のｐ側電極とｎ側電極とを開放した状態に相当する。
【００５２】
以下においては、図１を参照しつつ、非励起状態における活性層のキャリア密度と、自励発振特性との関連性、および自励発振のメカニズムを述べる。
【００５３】
利得領域の活性層９６から発せられるレーザ光の一部は、注入キャリアが利得領域よりも少ないことにより吸収係数が高くなっている可飽和吸収領域の活性層９７で光吸収される。この光吸収により可飽和吸収領域の活性層９７でキャリアが生成される。窒化物半導体レーザ素子の活性層としては、１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とからなる量子井戸構造または多重量子井戸構造を用いるのがほとんどである。量子井戸構造の活性層を用いる場合、活性層の中でも最もバンドギャップが小さい井戸層にて大半のキャリアが生成される。
【００５４】
そして、井戸層で生成されたキャリアにより、可飽和吸収領域における活性層９７の吸収係数が小さくなる方向に変化すると、共振器内の光吸収による損失が少なくなるため、利得領域における活性層９６で過剰な誘導放出光が発生する。誘導放出光が発生することにより、利得領域における活性層９６のキャリアが枯渇してしまうこととなり、レーザ発振を維持できずに停止してしまう。レーザ発振が停止した後にも、利得領域に対する電流注入は継続して行なわれるため、再び利得領域でレーザ発振が起こる。この時点で、可飽和吸収領域の活性層９７で先の光吸収にて生成されたキャリアが十分に消滅して可飽和吸収領域の活性層９７の吸収係数が大きくなる方向に戻っていれば、再びレーザ発振の停止が起こり、このサイクルが繰り返されることになる。
【００５５】
このように窒化物半導体レーザ素子が自励発振を起こすためには、可飽和吸収領域の活性層（井戸層）が光吸収して生成されるキャリアを速やかに消滅させること、すなわちキャリア寿命が短いことが必要となる。
【００５６】
ここで、キャリアが消滅する機構としては、電子と正孔の対で発生する発光再結合または非発光再結合、ドリフトまたは拡散による輸送などが考えられる。本発明のような分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子における可飽和吸収領域は、キャリアが消滅する機構としてドリフトによる輸送を用いることとなる。なぜなら、ｐｎ接合による内部電界の働きにより、活性層からキャリアを掃き出させることを利用するからである（たとえば特許文献１参照）。
【００５７】
しかし、本発明者らは、窒化物半導体レーザ素子に特有のピエゾ電界がキャリアの輸送を妨げることを見出した。以下に、ピエゾ電界が分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子における自励発振特性に与える影響について述べる。
【００５８】
従来の一般的な窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体層には、ウルツ鉱型結晶構造を有し、上面が（０００＋１）面である窒化物半導体を用いる。基板としては、ｎ型の基板を入手しやすいことからｎ型の基板を用いることが多い。ｎ型の基板を用いる場合、活性層の下方（［０００−１］方向）には、ｎ型窒化物半導体層を形成することが好ましい。一方、活性層の結晶性を損なわないようにするために、活性層の上方（［０００＋１］方向）には、結晶性が劣る傾向があるｐ型窒化物半導体層を形成することが好ましい。
【００５９】
なお、結晶面を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
【００６０】
活性層３０には、ｐ型窒化物半導体層４０およびｎ型窒化物半導体層２０よりもバンドギャップの小さい材料を用いるが、そのような材料は一般的に格子定数が大きい。このため、活性層３０の格子定数は、圧縮歪みの力が加わりながら基板または下地のｎ型窒化物半導体層２０の格子定数に揃うように形成される。このように圧縮歪みの力が加わりながら、下地層（上記の場合はｎ型窒化物半導体層）の格子定数に揃うように結晶成長させることをコヒーレント成長という。特に窒化物半導体レーザ素子に用いられる活性層は、その厚みが１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の極薄膜であるため、コヒーレント成長しやすい。なお、活性層３０を形成する際に活性層３０の圧縮歪みの力が弱くなると、活性層３０中に転位などの欠陥が入ってしまうこととなり、活性層３０の結晶性が悪化してしまうため好ましくない。
【００６１】
このようにコヒーレント成長により形成された活性層は、その上面が（０００＋１）面であるため、活性層（量子井戸構造の場合は井戸層）に生じるピエゾ電界は、基板上面から下面に向かう方向となる。このためピエゾ電界は、ｐｎ接合による内部電界と反対の方向に相当する。
【００６２】
したがって、ｐｎ接合による内部電界の働きによってキャリアを活性層から掃き出させることを利用する分離電極タイプの自励発振用半導体レーザでは、ピエゾ電界はキャリアを活性層から掃き出させることを阻害する要因となる。よって、活性層（量子井戸構造の場合は井戸層）に生じるピエゾ電界を低減することにより、自励発振特性を向上させることができる。このような分離電極タイプの半導体レーザの活性層に生じるピエゾ電界と自励発振特性との関係は、本発明者らが見出した知見である。
【００６３】
続いて、活性層（量子井戸構造の場合は井戸層）のキャリアとピエゾ電界との関係について、シミュレーションを交えて説明する。当該シミュレーションは、ポワソン方程式と電流連続式とを自己無撞着に解くことにより行なった。
【００６４】
図４は、障壁層および井戸層のドーピング量およびドーパントを代えたときに、単一量子井戸のバンド構造がどのように変わるかをシミュレーションした結果を示すグラフである。上側の障壁層は８ｎｍの厚みのＩｎ0.017Ｇａ0.983Ｎからなるものであり、井戸層は７．５ｎｍの厚みのＩｎ0.085Ｇａ0.915Ｎからなるものであり、下側の障壁層は６ｎｍの厚みのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるものである。
【００６５】
井戸層および上下両側の障壁層のドーピング量およびドーパントを以下の表１の（ａ）〜（ｃ）のとおりに変更した。
【００６６】
【表１】
2011044648.tif 000003
【００６７】
表１中の（ａ）は、障壁層および井戸層に１．０×１０ｃｍ17ｃｍ-3のＳｉをドープしたものとしているが、これは意図的にドーピングしないときを想定している。すなわち、ＩｎＧａＮ層は意図的にドーピングしない場合でも、この程度のＳｉドープに相当するキャリア密度を有していると言われている。一方、表１中の（ｂ）は、障壁層のみに１．０×１０19ｃｍ-3のＳｉをドープしており、井戸層は（ａ）と同様に意図的にドーピングしていない状態を示している。そして、表１中の（ｃ）は、障壁層および井戸層のいずれも、１．０×１０19ｃｍ-3のＭｇをドープした状態を示している。なお、以下においては、井戸層、および障壁層のことをそれぞれ「ウェル層」、「バリア層」と記すこともある。
【００６８】
図４の（ａ）と（ｂ）とを対比すると、障壁層のドーピングの有無により井戸層のバンド形状が変化することが明らかとなる。これは、ドーピングにより生じたキャリアによる内部電界の遮蔽（スクリーニング）効果として知られる現象が起こるためである。そして、このスクリーニング効果により、自励発振特性の阻害要因となるピエゾ電界の影響を低減し得ることが示される。
【００６９】
次に、井戸層のバンドギャップと、伝導帯の最下端と価電子帯の最上端とのエネルギー差を求め、このエネルギー差を、キャリア量による発光ピークの変化（以下において「ブルーシフト量」とも記す）として観測する。ブルーシフト量が小さいほどピエゾ電界の影響を低減していることから、ブルーシフト量の大小によりスクリーニング効果の寄与を定量的に評価することができる。なお、本シミュレーションにおいて、量子効果に関しては考慮しないこととする。以下、表１を用いて具体的に説明する。
【００７０】
表１の「井戸層のキャリア密度」には、井戸層の単位面積当たりのキャリア密度を示している。表１の「井戸層のキャリア密度」を参照すると、ドーピングを施した（ｂ）および（ｃ）のキャリア密度は、井戸層および障壁層に意図的にドーピングをしていない（ａ）のキャリア密度よりもキャリア密度が高いことがわかる。一方、表１の「ブルーシフト量」の欄に示されるように、（ｂ）および（ｃ）のブルーシフト量は、（ａ）のブルーシフト量に比して小さいことから、（ｂ）および（ｃ）は、井戸層のキャリアが少ない（ａ）に比して、ピエゾ電界の影響を低減していることがわかる。このことから、井戸層（活性層）のキャリア密度が高いことにより、ピエゾ電界の影響を低減することができ、内部電界のスクリーニング効果が得られることが明らかである。したがって、活性層にドーピングを行なって活性層のキャリア密度を向上させることにより、内部電界のスクリーニング効果を発現させることができ、以って自励発振特性を改善することができる。
【００７１】
従来の分離電極タイプの半導体レーザは、利得領域の活性層と可飽和吸収領域の活性層とが、同一の組成、ドーパント、およびドーピング量のものを利用する。ここで、可飽和吸収領域における活性層のドーピングは、上記のスクリーニング効果などをもたらすため、非常に有効であるが、利得領域における活性層のドーピングは、半導体レーザの性能に悪影響を及ぼす可能性がある。すなわちたとえば、利得領域における活性層にＭｇをドーピングすると、活性層の結晶性が悪化する可能性があり、閾値電流および半導体レーザの寿命といった基本的な特性に悪影響が及ぶことが考えられる。また、利得領域における活性層にＳｉをドーピングすると、活性層の電子がオーバーフローするのを助長する可能性がある。
【００７２】
本発明は、利得領域である第１領域９１の活性層９６に比して、可飽和吸収領域である第２領域９２の活性層９７のドーピング量を多くすることにより、可飽和吸収領域の発光層にキャリアによるピエゾ電界のスクリーニング効果を優先的に与えることができ、以って自励発振特性と、通常の半導体レーザとしての特性とを両立するものである。
【００７３】
すなわち、可飽和吸収領域は、順方向バイアス印加による電流注入は行なわれないため動作時にも非励起状態に近い状態であり、利得領域からの光励起だけがキャリア発生源である。このため、第２領域９２の活性層９７をドーピングし、非励起状態における第２領域９２の活性層９７にキャリアを生じさせることにより、ピエゾ電界のスクリーニング効果を増大することができ、自励発振特性を改善することができる。
【００７４】
ここで、自励発振特性を高める上では、可飽和吸収領域における活性層のキャリア寿命を短くすることが重要であり、利得領域における活性層のキャリア寿命を短くしなくてもよい。むしろ利得領域における活性層のキャリア寿命を短くすると、閾値電流が悪化することになるため、利得領域における活性層のキャリア寿命は長い方が好ましい。
【００７５】
よって、利得領域における活性層９６にはドーピングを行なわないことが好ましく、利得領域における活性層９６にはドーピングを行なうとしても、可飽和吸収領域における活性層９７よりも少ないドーピングを行なうことが好ましい。このように可飽和吸収領域における活性層９７と、利得領域における活性層９６とでドーピング量を調整することにより、自励発振特性を改善するとともに、閾値電流、寿命などの窒化物半導体レーザ素子の優れた特性を損ないにくくすることができる。
【００７６】
可飽和吸収領域における活性層９７は、利得領域における活性層よりも多くのｎ型不純物および／またはｐ型不純物でドーピングすることが好ましく、ｐ型不純物でドーピングすることがより好ましい。ｐ型不純物を用いることにより、スクリーニング効果に加え、少数キャリアを正孔から電子に変える効果も得られる。少数キャリアを移動度の高い電子に変えることにより、吸収係数に影響する注入キャリアの変動を速くすることができる。また、ｐ型不純物を用いて第２領域９２の活性層９７をドーピングすることにより、第２領域９２の活性層９７の正孔が多くなり、以って井戸層から正孔を掃き出しやすくなる。このようにｐ型不純物を用いて第２領域９２の活性層９７をドーピングすることにより得られる効果はいずれも自励発振特性を改善に寄与する。
【００７７】
可飽和吸収領域における活性層９７は、ｎ型不純物でドーピングしてもよい。ｎ型不純物は、ｐ型不純物よりも活性化エネルギーが小さいため、ｎ型不純物のドーピング量が少なくてもキャリアを発生させることができることから、スクリーニング効果をもたらしやすい。
【００７８】
＜窒化物半導体レーザ素子の具体的構造＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、図２に示すように、基板１０上に、複数の窒化物半導体層が形成されている。この窒化物半導体層は、少なくとも、ｎ型窒化物半導体層２０、窒化物半導体からなる活性層３０およびｐ型窒化物半導体層４０を含んで構成されている。これらは、基板１０側から、ｎ型窒化物半導体層２０、活性層３０およびｐ型窒化物半導体層４０の順に積層された構造を有している。
【００７９】
また、ｐ型窒化物半導体層４０は一部が除去されていて、ストライプ状（細長状）のリッジストライプ部５５が設けられている。このような本発明の窒化物半導体レーザ素子は、以上の窒化物半導体層を基板上に含む限り、他の任意の層を含むことができる。以下、各構成についてさらに詳述する。
【００８０】
＜基板＞
基板１０は、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど、特に限定されることなく種々のものを用いることができる。特に、ＧａＮから構成されたＧａＮ基板を用いると、窒化物半導体層を結晶成長させた際に結晶の品質を高めることができるので生産性を高めることができる。このため、基板１０としては、ＧａＮを採用することが好ましい。ＧａＮの中でもウルツ鉱型結晶構造を有していて上面が（０００＋１）面であるものが最も好ましい。窒化物半導体層を結晶成長させた際に結晶の品質を最も容易に高めることができるためである。基板１０として導電型のものを用いる場合、ｎ型であるものを用いるのが好ましい。最も入手が容易であるからである。
【００８１】
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層２０は、たとえば、ｎ型バッファ層、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層などからなる。ｎ型バッファ層とｎ型コンタクト層とは省略可能である。基板１０としてＧａＮ基板を用いた場合には、基板１０上に直接、ｎ型クラッド層を形成することもできる。この他にも、ホールブロック層を設けたり、導電性がｎ型でない層を一部に設けたり、特に限定なく種々の構造を用いることができる。また、ｎ型窒化物半導体層２０には、ｎ型不純物として、Ｓｉ、ＯなどのＩＶ族元素またはＶＩ族元素などのいずれか１つ以上が含まれる。中でも、Ｓｉが好ましい。不純物濃度は、５×１０16ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3程度の範囲とすることができる。好ましくは、１×１０17ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3程度である。
【００８２】
＜ｐ型窒化物半導体層＞
ｐ型窒化物半導体層４０は、たとえば、ｐ型キャリアブロック層、ｐ型クラッド層、ｐ型ガイド層、ｐ型コンタクト層などからなる。ｐ型ガイド層とｐ型コンタクト層とは省略可能である。この他にも、活性層３０とｐ型キャリアブロック層との間に中間層を設けたり、導電性がｐ型でない層を一部に設けたり、特に限定なく種々の構造を用いることができる。また、ｐ型窒化物半導体層４０は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃなどの元素をいずれか１つ以上含む。中でも、ＭｇまたはＣが好ましい。不純物濃度は、５×１０16ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3程度の範囲とすることができる。好ましくは、５×１０18ｃｍ-3〜２×１０20ｃｍ-3程度である。
【００８３】
＜活性層＞
活性層３０は、ｎ型窒化物半導体層２０とｐ型窒化物半導体層４０との間に設けられる。上記活性層３０は、井戸層と障壁層とが交互に形成された量子井戸構造を有するようにして構成されていることが好ましい。この場合、活性層３０を、１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とをそれぞれ有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造にすることもできる。
【００８４】
そして、上述の通り、利得領域である第１領域９１の活性層９６と可飽和吸収領域である第２領域９２の活性層９７とは、非励起状態のキャリア密度が異なることを特徴とする。すなわち、非励起状態で第２領域９２の活性層９７の方が第１領域９１の活性層９６よりもキャリア密度が多いことを特徴とする。非励起状態のキャリア密度は、活性層のドーピング量により制御することができ、第２領域９２の活性層９７のドーピング量が、第１領域９１の活性層９６のドーピング量よりも多いことが好ましい。すなわち、可飽和吸収領域である第２領域９２の活性層９７のみに導電型制御目的の不純物が含まれることが好ましい。また、第１領域９１の活性層９６に不純物が含まれる場合、第２領域９２の活性層９７にそれよりも多い不純物が含まれることが好ましい。
【００８５】
第２領域９２の活性層９７に含まれる不純物としては、ｐ型不純物またはｎ型不純物のいずれをも用いることができる。第２領域９２の活性層９７にｐ型不純物を用いる場合、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃなどの元素を用いることができる。中でも、Ｍｇは容易に正孔濃度を高くすることができるため好ましい。ｐ型不純物の濃度は、５×１０16ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3程度の範囲とすることができ、好ましくは５×１０18ｃｍ-3〜２×１０20ｃｍ-3程度である。第２領域９２の活性層９７にｎ型不純物を用いる場合、Ｓｉ、ＯなどのＩＶ族元素またはＶＩ族元素などを用いることができる。中でも、Ｓｉは容易に電子濃度を高くすることができるため好ましい。ｎ型不純物の濃度は、５×１０16ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3程度とすることができ、好ましくは１×１０17ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3程度である。また、ｐ型不純物またはｎ型不純物を用いる場合、１種の不純物を用いる場合のみに限られず、２種以上の元素を用いてもよい。また、ｐ型不純物とｎ型不純物との両方を含んでいても構わない。また、活性層内でｐ型不純物またはｎ型不純物の濃度は、必ずしも一定である必要はなく、部分的に変化していてもよい。
【００８６】
ただし、第２領域９２の活性層９７の表面側から拡散またはイオン注入などによりドーピングする場合、ｐ型不純物を用いることが好ましい。活性層の表面からの拡散やイオン注入などによりｎ型不純物を導入すると、活性層の上側の層にｎ型不純物が含まれることにより、活性層上のｐ型半導体層がｎ型化してしまうこととなり、ｐｎ接合とならなくなり、キャリア寿命が低減する効果が得られないため好ましくない。第２領域９２の活性層９７のドーピングにｎ型不純物を用いる場合、基板の裏面側から拡散またはイオン注入することが好ましい。
【００８７】
第１領域９１の活性層９６は、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含まないことが好ましく、特にｐ型不純物は含まないことが好ましい。第１領域９１の活性層９６にｐ型不純物を含むことにより、活性層３０、および活性層３０の上に位置するｐ型窒化物半導体層４０などの半導体層の結晶性を悪化させることがあり、レーザ特性に著しく悪影響を与えうるからである。
【００８８】
第１領域９１の活性層９６は、ｎ型不純物を含んでいてもよいが、第２領域９２の活性層９７に含まれるｎ型不純物よりも少ないｎ型不純物を含むことが好ましい。第１領域９１の活性層９６に含まれる不純物は、第２領域９２の活性層９７に含まれる不純物と同一の不純物でなくてもよく、異なっていてもよい。第１領域９１の活性層９６に含まれる不純物は、第２領域９２の活性層９７に含まれる不純物の中から選ばれる。
【００８９】
＜窒化物半導体層の組成など＞
ｎ型窒化物半導体層２０、活性層３０およびｐ型窒化物半導体層４０を構成する窒化物半導体としては、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。さらに、このような窒化物半導体としては、ＩＩＩ族元素としてＢ（ホウ素）が一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてのＮ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（砒素）で置換されたものを用いてもよい。どのような材料、組成、層厚のものを用いるかは、レーザの波長帯、光閉じ込め、作製上の都合などを鑑みて適宜選択することができる。いずれの層も、有機金属化学気相デポジション（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法およびスパッタ法などの気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法またはフラックス法などの液相成長法などを用いて作製することができ、これらの各成長法をそれぞれ単独であるいは２つ以上の成長法を適宜組み合わせるなど、特に限定なく種々の成長法を用いることができる。
【００９０】
＜リッジ構造＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、好適な実施形態としてｐ型窒化物半導体層４０の少なくとも一部に、ストライプ状（細長状）のリッジストライプ部５５を設けることが好ましい。このリッジストライプ部５５は、電流狭窄機能と、ストライプ内外で屈折率差をつけて横方向の光閉じ込めを行なう導波路機能とを有する。
【００９１】
リッジストライプ部５５の幅（端面に平行な断面における横方向の長さ）は、１．０μｍ〜２０．０μｍ程度であることが好ましい。光ディスクシステムの光源用途などでレーザ光をシングルモードにする必要がある場合には、リッジストライプ部５５の幅は、１．０μｍ〜３．０μｍ程度であるのが好ましい。ディスプレイ用途などでマルチモードでもよい場合には、最大光出力を高めるために、リッジストライプ部５５の幅は、２．０μｍ〜２０．０μｍ程度となることが好ましい。なお、リッジストライプ部５５の断面形状（端面に平行な断面形状）が台形である場合は、リッジストライプ部５５の幅とは上底の長さをいうものとする。
【００９２】
また、リッジストライプ部５５の高さ（端面に平行な断面における縦方向の長さ）は、０．１μｍ〜２．０μｍ程度である。リッジストライプ部５５の幅およびリッジストライプ部５５の高さは、横方向の光閉じ込めに大きく影響を及ぼすため、その点を考慮して設定することが好ましい。
【００９３】
＜共振器および端面＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、図１に示すように、端面１１０と端面１２０とを共振器端面とする共振器を有している。このような端面１１０および端面１２０は、基板１０の成長主面に対して垂直な面であることが好ましい。また、基板１０がＧａＮで構成される場合であってその成長主面が（０００＋１）面となる場合、端面１１０および端面１２０は、それぞれ｛１−１００｝面または｛１１−２０｝面とすることができる。また、端面１１０および端面１２０を劈開により形成する場合は、劈開面の平坦性を考慮して｛１−１００｝面とすることが特に好ましい。また、このような端面を形成する方法としては、劈開以外にもドライエッチングを用いてエッチドミラーの端面とする方法などを挙げることができる。
【００９４】
＜絶縁膜＞
ｐ型窒化物半導体層４０の上面（すなわちｐ側電極側）には、絶縁膜６０が形成されていることが好ましい。この絶縁膜６０は、リッジストライプ部５５の上面部分（すなわちｐ側電極と接する部分）の少なくとも一部においてｐ型窒化物半導体層４０を露出させるようにして形成する必要がある。
【００９５】
また、絶縁膜６０は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｎなどの酸化物、窒化物、酸窒化物などから構成することができる。このような絶縁膜６０は、単層で形成してもよいし、２層以上の積層構造としてもよい。また、上記構成材料は、単結晶、多結晶、アモルファスまたはこれらの混在状態といった種々の形態で用いることができる。中でも、生産の容易さ、密着性、熱安定性を考慮すると、絶縁膜６０は、Ｓｉの酸化物、Ｚｒの酸化物、Ａｌの窒化物、Ｓｉの窒化物、Ｓｉの酸化物とＴｉの酸化物との積層構造などにより構成することが好ましい。絶縁膜６０の厚みは、５０Å〜５０００Å程度である。
【００９６】
＜ｐ側電極およびその分離＞
上記絶縁膜６０の上面（基板から遠くなる側）には、ｐ側電極７０が形成される。このｐ側電極７０は、リッジストライプ部５５の上面部分でｐ型窒化物半導体層４０に接する。換言すれば、このｐ側電極７０は、リッジストライプ部５５の上面部分を除き、ｐ型窒化物半導体層４０とは絶縁膜６０を挟むことにより絶縁されていることが好ましい。
【００９７】
このようなｐ側電極７０は、前述の通り、図１および図３に示されるように共振器の長手方向に対して交差する分割領域９５によって電気的に２領域以上に分離されている。このような構造とすることにより、各領域（図１の場合は第１領域９１と第２領域９２が相当する）を独立して電気的に駆動することができる。
【００９８】
図１に示した実施形態においては、ｐ側電極７１が形成された第１領域９１とｐ側電極７２が形成された第２領域９２の２領域に分離されており、長手方向の長さが第２領域９２の方が短くなっている。この場合、第１領域９１のみに電流注入を行なうことで第１領域９１が利得領域となり、第２領域９２には電流を注入せず可飽和吸収領域とすることができる。しかし、これは一例であって、共振器９０の長手方向の長さ（「共振器長」ともいう）に対して各領域の長さ（すなわち分離された各電極の長さ）をどのように割り当てるかは、種々の特性を考慮して適宜設計することができる。
【００９９】
第２領域９２の長さを調整することと、窒化物半導体レーザ素子の基本特性と自励発振特性とはトレードオフの関係にある。たとえば、第２領域９２を長くすると、自励発振特性を良好にすることができる一方、共振器内のトータルの光吸収量が増大することになり、閾値電流、スロープ効率等の窒化物半導体レーザ素子の特性が悪化し、閾値電流近傍での光出力の急激な立ち上がりが発生する光出力範囲が大きくなるというデメリットがある。
【０１００】
そこで、窒化物半導体レーザ素子の基本特性と自励発振特性とを高度に両立させるためには、可飽和吸収領域におけるキャリア寿命をより短くして、自励発振特性を示す範囲で可能な限り第２領域を短くするという手法を採る必要がある。このような第２領域９２の長さは、第１領域９１の長さよりも短いことが好ましく、第１領域９１の長さの１／１０程度よりもさらに短くすることがより好ましい。なお、上記においては、２領域に分断されたときの第２領域９２の長さを述べているが、２以上の領域に分離される場合でも同様の現象が起こるものとして適宜設計することができる。
【０１０１】
ここで、可飽和吸収領域とする領域（上記の場合第２領域９２）のｐ側電極７２とｎ側電極８０とは、電気的に短絡されることが好ましい。このような短絡は、たとえば対応するｐ側電極７２とｎ側電極８０とを直接ワイヤボンディングしたり、両電極間に実装用のステムの端子を介することにより行なうことができる。他にも、端面などに設けられた導電性の薄膜を介するなど、種々の手法を用いることができる。
【０１０２】
また、可飽和吸収領域におけるｐ側電極とｎ側電極とは、上記のように電気的に短絡させずに、バイアス電圧を印加させることも可能である。この場合、ｐｎ接合に対して逆方向のバイアス電圧を印加させるとキャリア寿命がより短くなり、自励発振特性を向上させることができる。この場合においても本発明の窒化物半導体レーザ素子は、従来の窒化物半導体レーザ素子に比べて同等の自励発振特性を得るのに要するバイアス電圧を小さくできるという効果がある。また、窒化物半導体レーザ素子を用いるシステムの都合によって順方向のバイアス電圧しか印加できないような場合であっても、本発明の窒化物半導体レーザ素子は従来の窒化物半導体レーザ素子に比べて自励発振特性を示しやすいという効果を示す。可飽和吸収領域をレーザ光の検知に用いる場合においても光誘起電流が大きくなり検知精度が向上する効果があるので、本発明の窒化物半導体レーザ素子をそのような用途に好適に用いることができる。
【０１０３】
このようなｐ側電極７０は、たとえばＰｄ（パラジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）などの金属やこれらの金属の少なくとも１種を含む合金から構成することができる。また、このようなｐ側電極７０としては、上記のような金属または合金を単層で形成してもよいし、２層以上の積層構造として形成してもよい。中でも、コンタクト抵抗を小さくでき、安定性も高いことから、Ｐｄ／Ｍｏ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｄの組み合わせ（積層の順序は左側の金属を半導体側とする）が好ましい。ｐ側電極７０を積層構造に構成した場合の各層の厚みは、５０Å〜５０００Å程度とすることができる。一方、ｐ側電極全体の厚みは、１０００Å〜５００００Åとすることが好ましい。
【０１０４】
＜ｎ側電極＞
ｎ側電極８０は、基板１０がＧａＮ基板のような導電性基板である場合、図１および図２に示すように、基板１０の裏面（窒化物半導体層が積層される面とは反対側の面）上に形成することができる。この場合、ｎ側電極８０は、基板１０の裏面の全面に形成してもよいし、その一部に形成してもよい。駆動電圧の上昇を抑える観点からその全面に形成することが好ましい。
【０１０５】
一方、基板１０がサファイア基板のような絶縁性基板の場合には、エッチングによって他の半導体層を除去することによって露出したｎ型窒化物半導体層２０上に、ｎ側電極を形成する必要がある。したがって、ｎ側電極の生産の容易さを考慮すると、基板１０としてはＧａＮ基板を用いることが好ましい。
【０１０６】
また、ｎ側電極８０は、たとえばＨｆ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などの金属やこれらの金属の少なくとも１種を含む合金から構成することができる。また、このようなｎ側電極８０としては、上記のような金属または合金を単層で形成してもよいし、２層以上の積層構造として形成してもよい。中でも、コンタクト抵抗を小さくでき、安定性も高いことから、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの組み合わせ（積層の順序は左側の金属を半導体側とする）が好ましい。ｎ側電極８０を積層構造に構成した場合の各層の厚みは、５０Å〜５０００Å程度とすることができる。一方、ｎ側電極全体の厚みは、１０００Å〜５００００Åとすることが好ましい。
【０１０７】
＜電極のパターンニング＞
絶縁膜６０、ｐ側電極７０およびｎ側電極８０は、実装の段階での利便性を考慮して、適宜、パターニングが施されていてもよい。絶縁膜６０、ｐ側電極７０およびｎ側電極８０は、それぞれの機能を有する限りにおいて、厚み、形状、パターンなどを適宜変更することができる。たとえば、ｐ側電極７０が、リッジストライプ部５５の側面に、一部または全面回りこむ形状になっていてもよい。このように構成することにより、駆動電圧を低減することが可能となる。特にｐ側電極７０は、第１領域９１（ｐ側電極７１）と第２領域９２（ｐ側電極７２）の各々に対してワイヤボンディングを行ないやすいようにリッジストライプ部５５から離れた領域にワイヤボンディング用のパッド電極を有していることが好ましい。
【０１０８】
＜コーティング膜＞
端面１１０および端面１２０にはそれぞれ、瞬時光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）レベルを向上させたり、所望のレーザ諸特性が得られるような反射率にするために、コーティング膜２００およびコーティング膜３００を形成することができる。通常の窒化物半導体レーザ素子と同様に一方の反射率を他方より低くして、その側を光出射側とし、反射率の高い側を光反射側とする。反射率は光出射側が１０％〜７０％程度、光反射側が７０〜９９％程度である。このように反射率が両側端面で異なっていると共振器内部での光強度分布が非対称になるので、可飽和吸収領域を共振器内のどの位置に配置させるかによって、自励発振特性やレーザ基本特性が異なってくる。よって、実用上の仕様などにしたがって、適宜配置を考慮する必要がある。
【０１０９】
コーティング膜２００およびコーティング膜３００は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｇａ、Ｙ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｔｉなどの酸化物や、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂなどの窒化物または酸窒化物などにより構成することができ、単層であってもよいし２層以上に積層された多層であってもよい。
【０１１０】
＜共振器長およびチップ幅＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子の共振器長（長手方向の長さ）は、３００μｍ〜３０００μｍ程度の長さとすることができる。好ましくは、４００μｍ〜１０００μｍ程度である。また、本発明の窒化物半導体レーザ素子のチップ幅（共振器長を長手方向とした場合の横方向の長さ）は、１００μｍ〜１０００μｍ程度である。好ましくは、１５０μｍ〜４００μｍ程度である。
【０１１１】
＜製造方法＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について、図１〜図３を参照して説明する。
【０１１２】
まず、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法を用いて、基板１０上に、ｎ型窒化物半導体層２０、活性層３０およびｐ型窒化物半導体層４０を順次成長させる。ＭＯＣＶＤ法以外の気相成長法として、ＭＢＥ法、スパッタ法などを用いることができる他、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、またはフラックス法の液相成長法などを用いることもできる。また、２つ以上の成長法を組み合わせることもできる。このように窒化物半導体層の形成方法としては、特に限定なく種々の成長法を用いることができる。活性層への不純物ドーピングは第１領域９１のドーピング量（第１領域９１にドーピングを行なわない場合はドーピングを実施しない）とする。したがって、この時点では後に第２領域９２となる領域も第１領域９１と同じ状態となっている。
【０１１３】
次に、ｐ型窒化物半導体層４０の最表面にＳｉＯ2などの誘電体、またはレジストをフォトリソグラフィ技術を用いて、ストライプ状にマスクを形成した上で、第２領域９２となる活性層９７のみ選択的にＭｇなどのｐ型不純物をイオン注入する。
【０１１４】
図８は、ｐ型窒化物半導体層の表面からｐ型不純物をイオン注入した後のｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を示す模式図である。本実施の形態では、図８に示されるように、ｐ型窒化物半導体層４０の表面のうちのマスクが形成されていない部分にｐ型不純物をイオン注入することにより、第２領域となる活性層３０、およびその上のｐ型窒化物半導体層４０に選択的イオン注入領域９８を形成することができる。
【０１１５】
上記で形成したマスクを除去した後、窒素雰囲気などで１０００℃程度の熱処理を行なうことにより、第２領域９２の活性層９７の結晶が回復することとなり、ｐ型不純物を活性化することができる。これにより第２領域９２の活性層９７のキャリア密度を、第１領域９１の活性層９６のキャリア密度よりも高くすることができる。
【０１１６】
なお、Ｓｉなどのｎ型不純物を用いて活性層にドーピングを行なう場合、同様の要領で基板の裏面からイオン注入を行なうことができる。後述する、基板の厚みを研磨または研削により薄くする工程の後に、イオン注入を行なってもよい。
【０１１７】
イオン注入は加速電圧を調整することで侵入深さを制御することができ、活性層まで到達するようにイオン注入することが好ましい。不純物濃度はドーズ量で制御することができる。イオン注入により活性層に不純物を注入する場合、基板の表面からｐ型不純物を注入することが好ましい。基板表面からｐ型不純物を注入することにより、注入されたｐ型不純物が活性層より深いｎ型窒化物半導体層に到達したとしても、ｐ型不純物は活性化エネルギーが高いことによりｎ型窒化物半導体層はｎ型の導電型を維持することができる。
【０１１８】
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて、ｐ型窒化物半導体層４０の少なくとも一部に、ストライプ状（細長状）のリッジストライプ部５５を形成する。この際、イオン注入を施したストライプ状の領域に対して垂直な方向に、リッジストライプ部５５のストライプは形成すると良い。そして、各種真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相デポジション）法などを用いて、ｐ型窒化物半導体層４０上に、そのリッジストライプ部５５の側面部およびそれに続く平面部を覆うように絶縁膜６０を形成する。
【０１１９】
続いて、各種真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを用いて、絶縁膜６０上に、ｐ型窒化物半導体層４０に接するｐ側電極７０を形成する。この場合、特性を向上させるために、ｐ側電極（金属膜）形成後に、１００℃〜５００℃程度の温度でアニール処理を行なってもよい。このようなアニール処理を行なうことによって、良好なオーミック電極を得ることができる。
【０１２０】
一方、共振器の長手方向と交差する方向に電極が形成されない分割領域９５を設けるために、ｐ側電極７０に対してマスキング処理などを施す。これ以外の方法として、電極を形成した後に、マスキング処理を行なわずにフォトリソグラフィ技術を利用してウェットエッチングなどにより電極を除去することで分割領域を設けることもできる。さらに、電極だけでなく分割領域に位置する窒化物半導体層を除去することもできる。
【０１２１】
その後、基板１０を分割し易くするために、基板１０の裏面（窒化物半導体層が形成される側とは反対側の面）を研削または研磨することにより、基板１０を７０μｍ〜３００μｍ程度の厚みまで薄くする。
【０１２２】
そして、各種真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などを用いて、基板１０の裏面上に、ｎ側電極８０を形成する。なお、ｎ側電極８０の形成前に、ドライエッチング、アッシング、逆スパッタなどによって基板１０の裏面を清浄にすることにより、ｎ側電極８０と基板１０との密着性を高めることもできる。また、ｐ側電極７０と同様に、特性を向上させるために、ｎ側電極８０（金属膜）形成後に、１００℃〜５００℃程度の温度でアニール処理を行なってもよい。このようなアニール処理を行なうことによって、ｐ側電極７０と同様、良好なオーミック電極を得ることができる。以上の工程（ウェハプロセス）により、ウェハが形成される。
【０１２３】
次に、上記の工程で得られたウェハを、劈開によってバー状に分割（バー分割）する。具体的には、まず、ウェハの表面および裏面の少なくとも一方に、ダイヤモンドポイントなどによってスクライブラインを形成する。このとき、所望の電極パターンが得られる位置にスクライブラインを入れる必要がある。また、電極のパターニングとバー分割位置とを調節することによって、共振器端面付近にｐ側電極７０が形成されていない構造とすることもできる。このような構造にすることによって、デバイス特性を向上させることができる場合もある。
【０１２４】
上記のようにして形成されるスクライブラインは、劈開の補助線の役割を有する。また、これとは異なる方法として、スクライブラインによらず、ドライエッチングなどで予め凹部溝を設けておくことによっても同様の役割を得ることができる。スクライブラインは、少なくともウェハの端にあればよいが、ウェハの内側に破線状に設けることで、劈開の直線性を良好にすることもできる。そして、スクライブラインの形成後、ウェハに適宜力を与えることにより劈開を行なうことができる。劈開面は、基板１０（図２参照）の成長主面（窒化物半導体層の成長面）に対して垂直な面であるのが好ましい。
【０１２５】
また、このとき、バー分割位置によって、窒化物半導体レーザ素子の共振器長が規定される。なお、上述したように、共振器長は、３００μｍ〜３０００μｍ程度の長さとすることができる。好ましくは、４００μｍ〜１０００μｍ程度である。
【０１２６】
次に、図１に示したように、バー分割によって形成された端面１１０および端面１２０に対して、それぞれコーティング膜２００およびコーティング膜３００を形成する。コーティング膜２００およびコーティング膜３００の形成は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法やマグネトロンスパッタ法などの各種スパッタ法を用いることができる。また、スパッタ法を２種以上を組み合わせても良い。
【０１２７】
また、コーティング膜の成膜前および成膜後の少なくと一方のタイミングで、アルゴン、酸素、窒素、水素またはこれらのガスの２種以上を含む混合ガスなどのガスを用いたプラズマ照射や、加熱処理などを行なってもよい。
【０１２８】
続いて、コーティング膜２００およびコーティング膜３００が形成されたバー状の素子（図示せず）を、チップ状に分割（チップ分割）する。このとき、チップ分割位置によって、チップ幅が規定される。チップ幅は、上述したように、１００μｍ〜１０００μｍ程度とすることができる。好ましくは、１５０μｍ〜４００μｍ程度である。チップ分割の方法は、バー分割で用いた方法と同様、スクライブラインを形成するスクライブ法を利用するとよい。このチップ分割は、バー分割の方向に対して垂直方向の向きに行なうのが好ましい。このようにして、本発明の窒化物半導体レーザ素子が製造される。
【０１２９】
上記の製造方法により得られた本発明の窒化物半導体レーザ素子は、＋（プラス）用の端子と−（マイナス）用の端子とを備えたステムに、はんだ、銀ペーストなどを用いて電気的に接続される。
【０１３０】
窒化物半導体レーザ素子をジャンクションアップ方式で実装する場合には、ｎ側電極８０とステム本体とを電気的に接続し、利得領域である第１領域のｐ側電極と＋側端子とをボンディングワイヤを介して接続する。可飽和吸収領域に相当する第２領域のｐ側電極は−側端子にボンディングワイヤを介して接続するとｎ側電極と電気的に短絡される。ステム本体と接続してもｎ側電極と電気的に短絡することができる。
【０１３１】
また、窒化物半導体レーザ素子とステムとの間に放熱性向上のためのサブマウントを設けることもできる。この場合、サブマウントとｎ側電極８０とを電気的に接続するとともに、サブマウントとステムの−側端子とをワイヤボンディングすればよい。可飽和吸収領域に相当する第２領域のｐ側電極をサブマウントとボンディングワイヤを介して接続すれば電気的な短絡ができるようになる。
【０１３２】
ワイヤボンディング後、乾燥空気雰囲気中でキャップ封止を行なうことにより、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置に組み立てられる。
【０１３３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加しなくても、良好な自励発振特性を有し、容易に自励発振を行なうことができる。このため、本発明の窒化物半導体レーザ素子をＢＤの光源として用いる際に、そのシステムを簡略化および小型化することができる。また、可飽和吸収領域を小さくしても自励発振が起こるので、閾値電流近傍での光出力の急激な立ち上がりを抑制することができる。
【０１３４】
さらに、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、このように優れた特性を有するため、これを光源（特に読み取り光源）として用いることにより光ディスク装置に極めて好適に使用することができる。また、画像表示装置においても極めて好適に使用することができる。このように、ＢＤ用途だけでなく、画像表示を行なうディスプレイ用途においても多波長モード発振状態になることで、スペックルノイズの低減効果があるため、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、これらの用途において極めて好適に用いることができる。
【０１３５】
一方、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を流れる光誘起電流をレーザ光出力検知に用いる窒化物半導体レーザ装置においても極めて好適に用いることができる。
【０１３６】
（第２実施形態）
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、第２領域９２の活性層９７に不純物を添加する方法のみが第１実施形態と異なる他は、第１実施形態の窒化物半導体レーザ素子と同様の方法により作製される。すなわち、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、熱拡散法により第２領域９２の活性層９７に不純物を添加することを特徴とする。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法のうち、第１実施形態と異なる部分のみを以下に示す。
【０１３７】
＜製造方法＞
第１実施形態と同様の方法により、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を形成する。そして、ｐ型窒化物半導体層の結晶成長を終えたウエハ上に、たとえばＭｇ、Ｚｎなどの金属膜、またはＭｇＯ、ＺｎＯなどのようにｐ型不純物を構成元素として含む酸化物あるいは窒化物などからなる熱拡散膜を形成する。なお、当該金属膜または熱拡散膜の上に、ＳｉＯ2などからなる保護膜を形成してもよい。
【０１３８】
次に、フォトリソグラフィ技術を利用して、第２領域９２の活性層上のみにストライプ状に熱拡散膜を形成する。続いて、窒素雰囲気、アンモニア雰囲気など中において１０００℃程度の熱処理を行なうことにより、ｐ型不純物を熱拡散膜から第２領域９２の活性層９７に拡散させる。これにより第２領域９２の活性層９７のみにｐ型不純物をトーピングすることができる。なお、ｐ型不純物の拡散距離は、熱処理の温度および時間により制御することができる。そして、この熱処理後に、熱拡散膜および保護膜を除去する。
【０１３９】
以上のような熱拡散の工程により、第１実施形態の窒化物半導体レーザ素子と同様に、第２領域９２の活性層９７のキャリア密度を第１領域９１の活性層９６のキャリア密度よりも高くすることができる。これにより本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
なお、上記では、ｐ型不純物を拡散する方法を説明したが、Ｓｉなどのようにｎ型不純物を構成要素として含む熱拡散膜を形成してもよい。ｎ型不純物を含む熱拡散膜を用いる場合、基板の裏面にｎ型不純物を含む熱拡散膜を設けた上で、ｐ型不純物を拡散する方法と同様の方法によりｎ型不純物を拡散することができる。
【０１４１】
ところで、第１実施形態で用いたイオン注入法および第２実施形態で用いた熱拡散法は、窒化物半導体レーザ素子の分野では、光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）レベルを向上するために、活性層を無秩序化して端面近傍のバンドギャップを広くする窓技術として用いられる。
【０１４２】
一方、本発明において、第１実施形態のイオン注入法および第２実施形態の熱拡散法はいずれも、ＣＯＤレベルを向上することを目的とするものではなく、非励起状態でキャリアを発生させてピエゾ電界をスクリーニングし、自励発振特性を向上することを目的とするものである。
【０１４３】
このため、本発明で用いるイオン注入法および熱拡散法はいずれも、活性層を無秩序化してバンドギャップを広くすることを目的とするものではないし、不純物を添加する第２領域９２は共振器端面近傍にある必要もないことから、半導体レーザ素子の分野で用いられる窓技術とは異なるものである。
【０１４４】
よって、本発明のイオン注入法および熱拡散法はいずれも、従来から半導体レーザ素子の分野で用いられる窓技術とは、解決しようとする課題、およびそれにより得られる効果も全く異なるものであり、極めて優れた産業上の利用性を有するものである。
【０１４５】
（第３実施形態）
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、第２領域９２の活性層９７に不純物を添加する方法が第１実施形態と異なる他は、第１実施形態の窒化物半導体レーザ素子と同様の方法により作製される。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法のうち、第１実施形態と異なる部分のみを以下に示す。
【０１４６】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型窒化物半導体層を形成する前に、第２領域９２となる基板の箇所に欠陥誘発領域を形成した上で、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を形成することを特徴とする。このような欠陥誘発領域を有する基板上に対し、実施形態１と同様の方法により、ｎ型窒化物半導体層、活性層、およびｐ型窒化物半導体層を形成すると、欠陥誘発領域上に形成された活性層には、欠陥誘発領域外に比べて多数の欠陥が導入される。
【０１４７】
このような多数の欠陥を含む活性層に、ｐ型窒化物半導体層に含まれるｐ型不純物が拡散するため、第２領域９２の活性層９７のみにｐ型不純物を添加することができ、以って本実施形態の窒化物半導体レーザ素子においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
ここで、基板に欠陥誘発領域を形成する方法としては、基板の表面のうちの第２領域９２となる箇所以外の部分にフォトリソグラフィ技術を用いて、選択的にマスキングした後に、Ｓｉ、Ｍｇなどの不純物をイオン注入などにより添加する手法、Ａｒなどのイオンや電子線などを照射する手法を用いればよい。
【実施例１】
【０１４９】
＜実施例１＞
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１５０】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子を、その構造を模式的に示す図５および図６（ただしこれらの図において各層の厚みは本実施例の実際の厚みを反映していない場合もある）を参照して説明する。
【０１５１】
まず、基板１０としては、ｎ型ＧａＮ基板を用いた。この基板１０の成長主面の結晶方位は（０００＋１）面とした。
【０１５２】
また、ｎ型窒化物半導体層２０は、ｎ型ＧａＮ層２１、ｎ型クラッド層２２およびｎ型ガイド層２３を含むように構成した。ｐ型窒化物半導体層４０は、キャリアブロック層４１、ｐ型ガイド層４２、ｐ型クラッド層４３およびｐ型コンタクト層４４を含むように構成した。
【０１５３】
具体的には、基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、０．２μｍ（２００ｎｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮ層２１、２．２μｍ（２２００ｎｍ）の厚みを有するｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層２２、０．０２μｍ（２０ｎｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層２３、活性層３０、０．００７μｍ（７ｎｍ）の厚みを有するｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるキャリアブロック層４１、０．１０μｍ（１００ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層４２、０．５５μｍ（５５０ｎｍ）の厚みを有するｐ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなるｐ型クラッド層４３、０．１μｍ（１００ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４４を順次形成した。
【０１５４】
活性層３０は、図６に示すように、ｎ型ガイド層２３上に、１５ｎｍの厚みを有するＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる第１障壁層３１を形成した後、この第１障壁層３１上に、７．５ｎｍの厚みを有するＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる２つの井戸層３２と、この２つの井戸層３２に挟まれていて８ｎｍの厚みを有するＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第２障壁層３３を形成した。そして、井戸層３２上に、活性層３０の最も上層となる１５ｎｍの厚みを有する最終障壁層３４（Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層）を形成した。すなわち、本実施例では、活性層３０を、２つの量子井戸層（井戸層３２）を含む多重量子井戸構造に構成した。
【０１５５】
これらの窒化物半導体の成長原料としては、ＩＩＩ族元素の原料として、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ：ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ：ＴＭＩｎ）およびトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ：ＴＭＡｌ）を用い、Ｖ族元素の原料として、アンモニア（ＮＨ3）を用いた。導電性制御のための不純物であるドープ元素としては、ｎ型がＳｉで原料はシラン（ＳｉＨ4）を用い、ｐ型がＭｇで原料はシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を用いた。ドーピング量は、ｎ型ＧａＮ層２１およびｎ型クラッド層２２が４×１０18ｃｍ-3、ｎ型ガイド層２３が１×１０18ｃｍ-3、キャリアブロック層４１およびｐ型ガイド層４２が１×１０19ｃｍ-3、ｐ型クラッド層４３およびｐ型コンタクト層４４がいずれも５×１０18ｃｍ-3である。活性層にはドーピングを行なわなかった。
【０１５６】
成長温度は、ｎ型窒化物半導体層２０が１０２５℃、活性層３０が７８０℃、ｐ型窒化物半導体層４０が１０７５℃である。
【０１５７】
結晶成長を終えた後に、第２領域９２となる領域以外にフォトリソグラフィを用いてＳｉＯ2マスクを形成し、選択的にＭｇイオン注入を行なった。加速電圧は５０ｋｅＶ、ドーズ量は１×１０14ｃｍ-2で垂直入射とした。本実施例では、図８に示されるように、第２領域となる活性層３０、およびその上のｐ型窒化物半導体層４０に選択的にＭｇイオンを注入することにより、選択的イオン注入領域９８を形成した。その後、ＳｉＯ2マスクを除去した後、窒素雰囲気中で１０００℃の熱処理を行なった。
【０１５８】
リッジストライプ部５５の形成は、フォトリソグラフィを利用したＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチング法を用いて行なった。リッジストライプ部５５の幅は、１．７μｍとした。また、リッジストライプ部５５は、［１−１００］方向に延びるように形成した。
【０１５９】
続いて、ｐ型窒化物半導体層４０上に、絶縁膜６０を形成した。絶縁膜６０は、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2の２層構造（ＳｉＯ2がｐ型窒化物半導体層４０側）とした。層厚は、１７０ｎｍ／５０ｎｍである。成膜には、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法を用いた。成膜後、フォトリソグラフィ技術などを用いて、所定のパターンの絶縁膜６０を得た。
【０１６０】
次に、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層構造（Ｐｄが絶縁膜６０側）からなるｐ側電極７０を、絶縁膜６０上に形成した。ｐ側電極７０の層厚は、５０ｎｍ／１５ｎｍ／２００ｎｍである。成膜には、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法を用いた。成膜後、フォトリソグラフィ技術などを用いて、所定のパターンのｐ側電極７０を得た。
【０１６１】
この際、領域分離のための分割領域が［１１−２０］方向に形成されるようにｐ側電極７０が形成されない領域を周期的にパターニングした。分割領域の幅は１０μｍとした。また、１チップにつき領域が２つになり、各々の領域に対してワイヤボンディングが行なえるように図７のようなパターンのパッド電極とした。積層構造のＡｕがパッド電極を主に構成している。第１パッド電極は第１領域（ｐ側電極７１）に、第２パッド電極は第２領域（ｐ側電極７２）に、それぞれ電気的に接続されていて、その間のＬ字型の領域には電極が形成されておらず、この領域が分割領域９５に相当する。なお、リッジストライプ部を点線で図中に示している。また、所定のバー分割位置にてバー分割を行なうと共振器長が６００μｍで、その中に５７０μｍ（第１領域）と２０μｍ（第２領域）の２領域が設けられるようなパターンとなっている。また、この第２領域のｐ側電極７２は、後述のワイヤボンディングにより、ｎ側電極８０と短絡され、該第２領域は短絡領域を形成することになる。
【０１６２】
ｐ側電極７０の形成後に、研削機および研磨機を用いて基板１０の厚み（ウェハ厚）を１２０μｍとなるように研磨した。その後、ｎ側電極８０として、基板１０の裏面上にＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ（Ｈｆが基板側）を、ＥＢ蒸着法を用いて形成した。層厚は、５ｎｍ／１５０ｎｍ／３６ｎｍ／１８ｎｍ／２５０ｎｍである。そして、金属膜形成後（ｐ側電極７０およびｎ側電極８０の形成後）に、５００℃でアニール処理を行なうことによって良好なオーミック電極を得た。
【０１６３】
その後、劈開により［１１−２０］方向と平行方向にウェハのバー分割を行なった。これにより、図１に示すような、対向する一対の共振器端面（端面１１０および端面１２０）を得た。端面１１０および端面１２０の結晶方位は｛１−１００｝面である。また、バー分割は、共振器長が６００μｍとなるように行なった。
【０１６４】
続いて、ＥＣＲスパッタ法を用いて、共振器端面上にコーティング膜を形成した。端面１１０にはＡｌＯＮ／Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3（ＡｌＯＮが端面１１０側）からなるコーティング膜２００を形成した。層厚は２０ｎｍ／１１０ｎｍ／６８ｎｍ／６０ｎｍである。反射率は４０５ｎｍにおいて３０％であった。端面１２０にはＡｌＯＮ／Ａｌ2Ｏ3／（ＳｉＯ2／ＴｉＯ2）4（ＡｌＯＮが端面１２０側）からなるコーティング膜３００を形成した（なお、「（ＳｉＯ2／ＴｉＯ2）4」は「ＳｉＯ2／ＴｉＯ2」を構成単位とする層を４層積層させたことを示す）。層厚は２０ｎｍ／１１０ｎｍ／（６８ｎｍ／４４ｎｍ）4である。反射率は４０５ｎｍにおいて９５％であった。
【０１６５】
続いて、チップ幅が４００μｍとなるように、チップ分割を行なうことにより、本実施例の窒化物半導体レーザ素子を得た。
【０１６６】
そして、得られた窒化物半導体レーザ素子をキャンパッケージ型の半導体レーザ装置に実装した。この際、第１パッド電極はステムの＋端子とワイヤボンディングし、一方第２パッド電極はステムの−端子とワイヤボンディングすることで、第１領域は利得領域となり、第２領域はキャリア寿命の短い可飽和吸収領域となる。この結果、可飽和吸収領域は反射率の高い共振器端面（端面１２０）側に配置されることになる。
【０１６７】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、活性層３０については可飽和吸収領域である第２領域９２の活性層９７のみにｐ型不純物のＭｇが含まれており、第１領域９１の活性層９６には不純物が含まれていない。このため、非励起状態の第２領域９２の活性層９７は、非励起状態の第１領域９１の活性層９６よりも高い密度のキャリア（正孔）が井戸層に溜まる。第２領域９２の活性層９７（井戸層）に溜まる正孔によりピエゾ電界がスクリーニングされることとなり、バンドベンディングが緩和される。このためレーザ駆動時には光吸収により生成された井戸層のキャリアは、ｐｎ接合の内部電界による井戸層からの掃き出しが促進されることとなることから、キャリア寿命が短くなり自励発振が起こりやすくなる。
【０１６８】
一方、利得領域である第１領域９１の活性層９６には、意図的にドーピングを行なっていないことにより、本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、従来の窒化物半導体レーザ素子の特性を維持することができる。したがって、本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、逆バイアス電圧を第２領域９２に印加することなく短絡化のみで自励発振を生じさせることができ、窒化物半導体レーザ素子の特性も従来の低閾値電流および高寿命を得ることができる。
【０１６９】
本発明において上記で好適な実施形態を説明した窒化物半導体レーザ素子は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
【０１７０】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１７１】
今回開示された実施の形態および実施例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。
【符号の説明】
【０１７２】
１０  基板、２０  ｎ型窒化物半導体層、２１  ｎ型ＧａＮ層、２２  ｎ型クラッド層、２３  ｎ型ガイド層、３０  活性層、３１  第１障壁層、３２  井戸層、３３  第２障壁層、３４  最終障壁層、４０  ｐ型窒化物半導体層、４１  キャリアブロック層、４２  ｐ型ガイド層、４３  ｐ型クラッド層、４４  ｐ型コンタクト層、５５  リッジストライプ部、６０  絶縁膜、７０，７１，７２  ｐ側電極、８０  ｎ側電極、９０  共振器、９１  第１領域、９２  第２領域、９５  分割領域、９６  第１領域の活性層、９７  第２領域の活性層、９８  選択的イオン注入領域、１００  窒化物半導体レーザ素子、１１０，１２０  端面、２００，３００  コーティング膜。
【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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