(57)【要約】【課題】本発明の課題は、分離電極タイプの半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くし、以って良好な自励発振特性を得ること（すなわち容易に自励発振すること）にある。【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、基板上に少なくともｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とが積層されており、該ｎ型半導体層または該基板に接触するｎ側電極と、該ｐ型半導体層または該基板に接触するｐ側電極と、共振器とを備え、該ｐ側電極および該ｎ側電極の少なくとも一方は、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、該活性層は、その少なくとも一部において、該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していることを特徴とする。【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型半導体層と活性層とｐ型半導体層とが積層されており、
前記ｎ型半導体層または前記基板に接触するｎ側電極と、前記ｐ型半導体層または前記基板に接触するｐ側電極と、共振器とを備え、
前記ｐ側電極および前記ｎ側電極の少なくとも一方は、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、
前記活性層は、その少なくとも一部において、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、前記第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生している、半導体レーザ素子。
【請求項２】
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を有する量子井戸構造または多重量子井戸構造を有しており、その井戸層において、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、前記第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２内部電界は、格子歪みに起因するピエゾ電界である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記活性層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成され、
前記ｎ型半導体層は、前記活性層の［０００＋１］方向に位置し、
前記ｐ型半導体層は、前記活性層の［０００−１］方向に位置する、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とは、それぞれ窒化物半導体層である、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体層は、それぞれウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成される、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記基板は、窒化物半導体結晶である、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記窒化物半導体結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有する、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体結晶は、ＧａＮである、請求項７または８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記活性層は、圧縮歪みを受けたＩｎＧａＮである、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記活性層は、その上面が（０００−１）面であって、
前記ｐ型半導体層は、前記活性層の［０００−１］方向に位置する、請求項４〜１０のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記活性層は、その上面が（０００＋１）面であって、
前記ｐ型半導体層は、前記活性層の［０００−１］方向に位置する、請求項４〜１０のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とは、それぞれ活性層と同じ結晶方位を有している、請求項４〜１２のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記基板は、活性層と同じ結晶方位を有している、請求項８〜１３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記半導体レーザ素子は、自励発振特性を備える、請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記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、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
請求項１に記載の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１８】
請求項１に記載の半導体レーザ素子を用いた画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子に関し、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半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、現在、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、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】
このような戻り光雑音への対策としては、従来から、駆動電流を変調させる高周波重畳を利用する方法と、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の２つの方法がある。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、雑音特性を改善している。
【０００５】
高周波重畳を利用する方法と、自励発振特性を利用する方法とを比較すると、高周波回路をシステムに組み込む必要のない後者の方法が、半導体レーザ素子の低コスト化かつ小型化を実現できるため有利とされている。しかしながら、半導体レーザ素子を用いたＢＤにおいては、高周波重畳を利用する方法しか実現されていないのが現状であり、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の実用化は未だされていない状況にある。
【０００６】
自励発振型レーザ素子の使用を可能とするためには、可飽和吸収領域を半導体レーザ素子の内部に形成する必要があるが、その形成方法によって３つのタイプに分けることができる。
【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（「可飽和吸収層形成タイプ」）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（「Δｎ調整タイプ」）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、比較的容易なプロセスで作製できるというメリットがある。特開２００４−１８６６７８号公報（特許文献１）には、こ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いて、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たり、ｐｎ接合に逆バイアスを印加することで、自励発振が得られることが開示されている。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】
自励発振特性を得るためには、利得領域に対して可飽和吸収領域においてキャリア寿命が十分短くなる必要がある。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たり、可飽和吸収領域のｐｎ接合に対して逆バイアスを印加させたりすることは、このようにして半導体層に生じた内部電界を利用することにより、可飽和吸収領域において光吸収により生じたキャリアを活性層から掃き出すことによって、キャリア寿命を短くさせることができる。
【００１３】
この場合、逆バイアスを印加させることは、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、確実にキャリア寿命を短くすることができる。しかしながら、自励発振特性を有する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。したがって、その実用化のためには、ｐ側電極とｎ側電極との短絡のみによって有効な自励発振特性を得る必要があると考えられる。
【００１４】
この点に関し、特許文献１では、窒化物半導体はＧａＡｓ系に比べてバンドキャップが大きいため内部電界が大きくなるので、キャリア寿命の短縮に有利であると述べられている。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、よりキャリア寿命を短くする必要がある。たとえば、広い温度範囲で自励発振特性を示すことや、長時間の使用後にも自励発振特性を維持するためには、よりキャリア寿命を短くして、自励発振特性を示すトレランスを大きくすることが有効である。
【００１５】
一方、自励発振型半導体レーザ素子では、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という難点があるが、キャリア寿命をより短くすることによって、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。
【００１６】
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が、この技術において検知に用いられる電流としては、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利用している。上述のように自励発振特性を目的としたキャリア寿命の短縮は、光誘起電流の増大にも繋がるので、レーザ光の検知技術にも用いることが可能である。光誘起電流の増大は、レーザ光の検知の際の精度向上や、電流非注入領域に印加するバイアス電圧のトレランス増大というメリットがある。
【００１７】
よって、本発明の課題は、分離電極タイプの半導体レーザ素子において、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くし、以って良好な自励発振特性を得ること（すなわち容易に自励発振すること）にある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の半導体レーザ素子は、基板上に少なくともｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とが積層されており、該ｎ型半導体層または該基板に接触するｎ側電極と、該ｐ型半導体層または該基板に接触するｐ側電極と、共振器とを備え、該ｐ側電極および該ｎ側電極の少なくとも一方は、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、該活性層は、その少なくとも一部において、該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していることを特徴とする。
【００１９】
また、上記活性層は、１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とを有する量子井戸構造または多重量子井戸構造を有しており、その井戸層において、上記ｎ型半導体層と上記ｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、上記第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生している構造とすることが好ましい。
【００２０】
ここで、上記第２内部電界は、格子歪みに起因するピエゾ電界であることが好ましい。また、上記活性層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成され、上記ｎ型半導体層は、上記活性層の［０００＋１］方向（本発明においては［０００１］方向をこのように［０００＋１］方向とも記す）に位置し、上記ｐ型半導体層は、上記活性層の［０００−１］方向に位置することが好ましい。
【００２１】
また、上記ｎ型半導体層と上記ｐ型半導体層とは、それぞれ窒化物半導体層であることが好ましく、該窒化物半導体層は、それぞれウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましい。
【００２２】
また、上記基板は、窒化物半導体結晶であることが好ましく、該窒化物半導体結晶は、ウルツ鉱型結晶構造を有することが好ましく、さらにＧａＮであることが好ましい。
【００２３】
また、上記活性層は、圧縮歪みを受けたＩｎＧａＮであることが好ましい。また、上記活性層は、その上面が（０００−１）面であって、上記ｐ型半導体層は、上記活性層の［０００−１］方向に位置することが好ましい。また、上記活性層は、その上面が（０００＋１）面（本発明においては（０００１）面をこのように（０００＋１）面とも記す）であって、上記ｐ型半導体層は、上記活性層の［０００−１］方向に位置することが好ましい。
【００２４】
また、上記ｎ型半導体層と上記ｐ型半導体層とは、それぞれ活性層と同じ結晶方位を有していることが好ましく、上記基板は、活性層と同じ結晶方位を有していることが好ましい。
【００２５】
本発明の上記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く、上記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。
【００２６】
そして、本発明は、上記の半導体レーザ素子を光源として用いた光ディスク装置にも係わり、同じく上記の半導体レーザ素子を用いた画像表示装置にも係わる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の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、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くし、以って良好な自励発振特性を得ること（すなわち容易に自励発振すること）ができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の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】窒化物半導体の結晶構造を模式的に表わした結晶構造図である。
【図５】ピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向との異同と、バンド構造との関係を示すバンド構造図である。
【図６】本発明の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７】図６の活性層周辺を拡大した拡大断面図である。
【図８】本発明の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９】実施例の半導体レーザ素子の活性層付近のバンド図である。
【図１０】比較例の半導体レーザ素子の活性層付近のバンド図である。
【図１１】本発明の半導体レーザ素子の図２および図６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１２】図９とは異なる実施例の半導体レーザ素子の活性層付近のバンド図である。
【図１３】本発明の半導体レーザ素子の図２、図６および図１１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１４】図１３の活性層周辺を拡大した拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。なお、本発明において「上面」とは、基板においては半導体層が形成される側を示し、各半導体層においては基板から遠くなる側を示す。
【００３０】
また、以下の実施の形態の説明では、基板として窒化物半導体結晶を用い、半導体層として窒化物半導体層を用いた窒化物半導体レーザ素子を中心として説明するが、本発明の半導体レーザ素子はこのような窒化物半導体レーザ素子のみに限られるものではない。
【００３１】
＜半導体レーザ素子＞
図１は、本発明の半導体レーザ素子として窒化物半導体レーザ素子１００を例にとり、そ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１００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、本発明の半導体レーザ素子である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、本発明の半導体レーザ素子である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。
【００３２】
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、ｎ型のＧａＮ等からなる基板１０上に、少なくともｎ型半導体層であるｎ型窒化物半導体層２０と、活性層３０と、ｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０とがこの順に積層されている。しかし、積層の順序はこれのみに限られるものではなく、たとえば図１１に示されるように、基板１０上に、少なくともｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０と、活性層３０と、ｎ型半導体層であるｎ型窒化物半導体層２０とがこの順に積層されている態様とすることもできる。このように、本発明においては、基板上に少なくともｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とが積層されている限り、各半導体層の積層の順序は特に限定されない。
【００３３】
本発明において、基板１０は、窒化物半導体結晶であることが好ましく、ウルツ鉱型結晶構造を有していることがより好ましく、ＧａＮ（特にウルツ鉱型結晶構造を有するＧａＮ）であることがさらに好ましい。これは、その上に形成する各半導体層の結晶性を良好なものにすることができるとともに、活性層に後述の第２内部電界を容易に発生させることができるからである。
【００３４】
このような基板１０は、その上面、すなわち半導体層が積層される側の面が（０００−１）面であることが好ましい。活性層上面を結晶性を損なうことなく容易に（０００−１）面とすることができ、これにより第２内部電界を後述する所期の方向に発生させることができるからである。
【００３５】
また、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とは、それぞれ窒化物半導体層であることが好ましく、その窒化物半導体はそれぞれウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましい。また、活性層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましい。より好ましくは、ｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とはいずれもウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成され、基板をＧａＮとした場合にはこのＧａＮと結晶方位を同一とすることが好ましく、いずれも上面が（０００−１）面となっていることが好ましい。これにより各層の下面はそれぞれ（０００＋１）となっていることが好ましい。なお、図２の左側の表記は、これを模式的に表わしたものである。これらの結晶構造および結晶方位が好ましい理由は後述する。
【００３６】
図１および図２においては、基板１０の裏面に、基板１０に接触してｎ側電極８０が形成されているが、このｎ側電極８０はｎ型半導体層に接触させて形成することもできる。これに対し、ｐ側電極７０は、ｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０に接触して形成されている。
【００３７】
また、本発明の半導体レーザ素子は、半導体層（図２では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（本発明では単に「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。本発明の半導体レーザ素子は、このような共振器９０を備えるものであるが、図３の共振器９０の表記は正確には共振器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として用いるが、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窒化物半導体に含めるものとする。
【００３９】
＜電極の分離＞
本発明の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。この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、このような領域の分離は２領域以上に分離されていてもよい。また、ｎ側電極８０が分離されていてもよい。また、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が後述の非短絡領域である）。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（長さ）をいう）を１〜１０μｍ程度とするだけでも、電気的な分離が可能となる。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。故に、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、電気的な分離を行なうことができるため好ましい。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な分離は可能である。
【００４２】
＜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。
【００４３】
すなわち、第１領域９１に対して通常の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。
【００４４】
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ため好ましい。
【００４５】
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。
【００４６】
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でもキャリア寿命を制御することが可能となる。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。
【００４７】
なお、本発明において、上記のようにｐ側電極とｎ側電極とを短絡せずとも、キャリア寿命が十分に短ければ、自励発振特性を得ること（自励発振させること）は可能である。
【００４８】
＜内部電界＞
本発明の半導体レーザ素子の活性層は、その少なくとも一部において、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していることを特徴とする。これにより、本発明の半導体レーザ素子は、好適な自励発振特性を備えたものとなる。以下において、本発明の半導体レーザ素子が、自励発振特性を容易に得ること（容易に自励発振すること）ができる原理について説明する。
【００４９】
なお、以下では、半導体レーザ素子として窒化物半導体レーザ素子１００を例にとり、かつ活性層３０がウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成され、その上面が（０００−１）面であり、ｎ型半導体層であるｎ型窒化物半導体層２０がこの活性層３０の［０００＋１］方向に位置し、ｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０がこの活性層３０の［０００−１］方向に位置する場合について説明する。
【００５０】
まず、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶は、図４に示すような結合構造を有している。図中ＩＩＩは、ＩＩＩ族元素を示し、たとえばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等が該当する。また図中Ｎは、窒素原子を示す。また、図中央に位置するＩＩＩ族元素から同じく図中央に位置するＮに向かう向きが［０００＋１］方向、それと１８０°反対の向きが［０００−１］方向と一般に定義されるため、本明細書でもこの定義に従う。
【００５１】
このような結晶構造では、歪みが生じていない場合は、電気双極子モーメントが互いに相殺されるため分極は現れない。しかし、圧力、張力などにより結晶格子に歪みが生じると、電気双極子モーメントが完全に相殺できなくなり、分極が現れる。そして、この分極により生じる電界を一般にピエゾ電界といい、上記の場合、このピエゾ電界は格子歪みに起因したものである。
【００５２】
このピエゾ電界は、通常の電界と同様に方向を有しており、その方向は、格子歪みが引張応力により発生する歪み（引張歪み）であるか圧縮応力により発生する歪み（圧縮歪み）であるかに依存して変化する。上記のように活性層の上面が（０００−１）面であり、その活性層の成長面内に圧縮歪みが掛かった場合にはピエゾ電界の方向は［０００−１］の方向、すなわち結晶成長の方向と同じ方向に生じる。一方、その成長面内に引張歪みが掛かった場合には、ピエゾ電界の方向は上記とは逆の［０００＋１］方向、すなわち結晶成長の方向とは反対の方向に生じる。
【００５３】
一方、活性層は、その上下にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが積層されることから、内部電界としては上記のピエゾ電界に加えて、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎ接合による内部電界も発生する。なお、本発明においては、便宜上、このｐｎ接合による内部電界を第１内部電界といい、ピエゾ電界のようにこの第１内部電界とは異なる種の内部電界を第２内部電界という場合がある。このｐｎ接合による内部電界、すなわち第１内部電界の方向はｎ型半導体からｐ型半導体へ向かう方向に生じる。
【００５４】
したがって、以上より明らかなように、ｐｎ接合による内部電界（第１内部電界）およびピエゾ電界（第２内部電界）の方向は、活性層の上面が（０００＋１）面または（０００−１）面のどちらであるか、また活性層の結晶成長時に加わる歪みが圧縮歪みであるか引張歪みであるか、さらに活性層の上面側がｐ型半導体層であるかｎ型半導体層であるか、に依存して変化することになる。
【００５５】
このため、基板をＧａＮで構成し、活性層をＩｎＧａＮで構成する場合、ＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大きいため、活性層の結晶成長面内に圧縮歪みが加わっており（すなわち活性層は圧縮歪みを受けたＩｎＧａＮで構成されることになる）、活性層の上面を（０００−１）面とすれば、ピエゾ電界は結晶成長方向と同じ方向である［０００−１］方向に生じる。ｐｎ接合による内部電界はｎ型半導体層からｐ型半導体層へ向かう方向であるので、活性層の上面側の［０００−１］方向にｐ型半導体層を配置し、その反対側である［０００＋１］方向にｎ型半導体層を配置すれば、ｐｎ接合による内部電界は活性層の［０００−１］方向に生じ、ピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とは同じ方向に生じることになる。すなわち、第１内部電界の方向と第２内部電界の方向が同じ方向となる。
【００５６】
なお、このように第１内部電界の方向と第２内部電界の方向が同じ方向となる限り、本発明の効果は得られるため、上記活性層の上面が（０００＋１）面となる場合には、活性層に対するｐ型半導体層とｎ型半導体層との積層順序を逆転させ、該ｐ型半導体層を上記活性層の［０００−１］方向に位置させることが好ましい。
【００５７】
通常、活性層は周辺の層に比べてバンドギャップが小さく、バンドキャップが小さい材料は格子定数が大きい傾向にある。このため、活性層は、通常、結晶成長時に圧縮歪みを受ける。ウルツ鉱型結晶構造の窒化物半導体結晶では圧縮歪みを受けると、［０００−１］方向にピエゾ電界が生じるので、活性層に生じるピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とを同じ方向とするためには、活性層の［０００−１］方向にｐ型半導体層を配置させ、その反対側である［０００＋１］方向にｎ型半導体層を配置させればよい。
【００５８】
ここで、図５に、ピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向との異同と、バンド構造との関係を模式的に示す。図５中、（ａ）はピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とが同じ方向である場合を示し、（ｂ）はピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とが反対方向に生じる場合を示し、（ｃ）はピエゾ電界が発生せず、ｐｎ接合による内部電界のみが存在する場合を示す。
【００５９】
ピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とが反対方向に生じる場合は、ピエゾ電界が強く活性層に掛かると図５中（ｂ）のような形のバンド構造となり、活性層内のキャリアは閉じ込められやすい状況となる。これは、本来なら、ｐｎ接合による内部電界によって電子はｎ型半導体層側へ、正孔はｐ型半導体層側へ輸送されてキャリア寿命が短くなるのに対して、ｐｎ接合の内部電界の方向とは反対の方向のピエゾ電界が活性層に掛かることにより、キャリア輸送が妨げられてキャリア寿命が短くならないという現象が示される。
【００６０】
これに対して、ピエゾ電界が存在しない場合は、図５中の（ｃ）のようなバンド構造から分かるとおり、ｐｎ接合による内部電界の作用によって電子はｎ型半導体層側へ、正孔はｐ型半導体層側へ掃き出されやすい状況にある。
【００６１】
一方、さらにピエゾ電界の方向とｐｎ接合による内部電界の方向とが同じ方向に生じる場合（図５中の（ａ））は、ｐｎ接合による内部電界（第１内部電界）とピエゾ電界（第２内部電界）とによる両電界の作用により、電子はｎ型半導体層側へ輸送され、正孔はｐ型半導体層側へ輸送されるので、活性層からキャリアがより掃き出されやすい状態にあることが分かる。活性層内のキャリアが掃き出されやすいと、キャリア寿命が短くなる。
【００６２】
したがって、本発明の半導体レーザ素子において、活性層は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、第１内部電界とは異なる種の第２内部電界（すなわち上記のようなピエゾ電界）が発生すれば、上記の第２領域９２の可飽和吸収領域にて光吸収により活性層に生じたキャリアは、その寿命が短くなるため自励発振が起こりやすくなるのである。
【００６３】
なお、このような第２内部電界は、必ずしも活性層の全体において発生する必要はなく、その少なくとも一部において発生すれば上記のような効果を得ることができる。これは、自励発振特性に主に影響を与えるのは活性層の内のキャリアが集中して存在する領域であり、少なくともそのような領域に上記のような第２内部電界が発生していれば、本発明の効果が得られるためである。
【００６４】
なお、図５は、活性層が空乏層内に完全に含まれる場合を想定している。活性層が空乏層内に含まれる割合が大きいほどキャリアの掃き出しは促進されて、自励発振は起こりやすくなる。
【００６５】
一方、活性層が１または複数の井戸層と１または複数の障壁層とを有する量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する場合は、その井戸層においてｎ型半導体層とｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していれば、本発明の効果は得られる。このように、井戸層において上記のような内部電界状態とすることによって本発明の効果が得られるのは、前述の通り自励発振特性に影響を主に与えるのは、キャリアが集中して存在する領域であり、量子井戸構造または多重量子井戸構造においては井戸層にキャリアが集中して存在しているためである。
【００６６】
一方、上記では第２内部電界として格子歪みに起因するピエゾ電界について説明したが、本発明のこのような効果は、ｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が活性層の少なくとも一部に発生していれば得られるので、このような第２内部電界としては格子歪みに起因するピエゾ電界のみに限られず、他の種類の種々の内部電界が含まれる。
【００６７】
たとえば、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶では、歪みが加わっていない場合でも、結晶の非対称性から自発分極が生じる。このような自発分極により発生する内部電界も第２内部電界として挙げることができる。ただし、ＧａＮとＩｎＮでは、自発分極の大きさはほぼ同じであるので、活性層がＩｎＧａＮである場合には、自発分極は無視できる。
【００６８】
また、活性層が［０００−１］方向と［０００＋１］方向の間の方向を上面としている場合にも、その結晶成長方向にピエゾ電界、つまりバンド構造に影響を与えるような第２内部電界が発生する。このピエゾ電界の方向は、結晶方位によって決まり、ｐｎ接合による内部電界の方向と同じ方向となるような結晶方位であれば、本発明の効果は得られる。
【００６９】
また、ピエゾ電界は、活性層が上記のようなウルツ鉱型結晶構造である場合のみに限られることなく発生する。たとえば、活性層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶で構成される場合やＧａＡｓ系半導体で構成される場合であっても、その成長方向が＜１１１＞方向であって格子歪みを受けている様な場合には、その成長方向にピエゾ電界は発生する。このため、そのピエゾ電界の方向がｐｎ接合による内部電界と同じ方向であれば、本発明の効果は得られる。
【００７０】
さらに、活性層が上記したような内部電界状態である限り、本発明の効果は得られるので、ｐ型半導体層の構造および組成、ならびにｎ型半導体層の構造および組成は特に限定されない。したがって、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の結晶方位は活性層と同じ結晶方位でなくてもよく、たとえば、上面が（０００＋１）面であっても良い。
【００７１】
また、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されていなくてもよく、たとえば、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有した窒化物半導体、ウルツ鉱型の結晶構造を有した酸化物半導体などを用いることもできる。したがって、本発明の半導体レーザ素子は、窒化物半導体レーザ素子（半導体層が窒化物半導体層で構成されるレーザ素子）に限定されるものではない。
【００７２】
ただし、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層は、同じ結晶構造で同じ結晶方位を有した同系統材料で構成することが好ましい。これにより、最も高品質な結晶を容易に作製することができるからである。このため、本発明の活性層が、その上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶で構成される場合は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層も同じく上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶で構成されることが好ましい。なお、本発明において、同じ結晶方位を有するとは、各層（基板を含む）を構成する結晶の各上面における結晶方位が同じである場合にそれらの結晶方位が同じであると表現するものとする。
【００７３】
また、活性層が上記のような内部電界状態である限り本発明の効果は得られるので、基板に関しても特に限定されることはない。たとえば、基板をサファイアとし、そのサファイアの（０００１）面上に上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体層を形成することができる。ただし、基板も、その上に積層される半導体層と同じ結晶構造で同じ結晶方位を有した同系統材料で構成することが好ましい。これにより、最も高品質な半導体層を容易に作製できるからである。そして特に、基板と活性層との結晶方位を同じ結晶方位とすることが好ましい。これにより、最も高品質な活性層を容易に作製できるためである。
【００７４】
つまり、活性層が上面を（０００−１）面とするウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶で構成される場合は、上面が（０００−１）面である窒化物半導体基板を用いることが好ましく、特に比較的安価に入手できるＧａＮ基板を用いることが特に好ましい。
【００７５】
＜半導体レーザ素子の具体的構造＞
本発明の半導体レーザ素子は、図１〜図３に示すように、基板１０上に、半導体層としてたとえば複数の窒化物半導体層が形成される。すなわち、この半導体層としては、少なくとも、ｎ型半導体層であるｎ型窒化物半導体層２０、窒化物半導体結晶等からなる活性層３０、およびｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０が含まれる。これらは、基板１０側から、ｎ型半導体層、活性層３０およびｐ型半導体層の順に積層された構造を有している。
【００７６】
また、半導体層（好ましくは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。
【００７７】
このような本発明の半導体レーザ素子は、以上の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。
【００７８】
＜基板＞
基板１０は、前述の通り特に限定されるものではないが、窒化物半導体結晶で構成されることが好ましく、その窒化物半導体結晶はウルツ鉱型結晶構造を有することが好ましく、ＧａＮであることが好ましい。より好ましくは、基板１０は、ウルツ鉱型の結晶構造を有していて、上面が（０００−１）面であるＧａＮで構成されることが好適である。
【００７９】
このような基板１０としては、上記以外にも、たとえば結晶構造としてはウルツ鉱型や閃亜鉛型などが挙げられ、材料はサファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが挙げられる。
【００８０】
なお、前述の通り、活性層３０としてｐｎ接合による内部電界の方向と同じ方向のピエゾ電界を生じさせることが最も容易であることから、このような基板１０としては上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型の結晶構造を有するＧａＮが最も好ましい。
【００８１】
＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層としては、ｎ型窒化物半導体層であることが好ましい。このような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】
そして、ｎ型半導体層であるこのようなｎ型窒化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましい。前述の通り、基板や活性層と同じ結晶構造で同じ結晶方位であることが好ましいからである。したがって、ｎ型半導体層としては、特に上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型の結晶構造を有した窒化物半導体結晶により構成される窒化物半導体層が最も好適である。
【００８３】
＜ｐ型半導体層＞
ｐ型半導体層としては、ｐ型窒化物半導体層であることが好ましい。このような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。
【００８４】
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。
【００８５】
そして、ｐ型半導体層であるこのようなｐ型窒化物半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましい。前述の通り、基板や活性層と同じ結晶構造で同じ結晶方位であることが好ましいからである。したがって、ｐ型半導体層としては、特に上面が（０００−１）面であるウルツ鉱型の結晶構造を有した窒化物半導体結晶により構成される窒化物半導体層が最も好適である。
【００８６】
＜活性層＞
活性層３０は、上述のように、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられている。このような活性層３０は、井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造を有していることが好ましい。また、量子井戸構造としては、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすることもできる。
【００８７】
活性層の導電型は、特に限定されることはなく、不純物ドーピングを行なわなくてもよいし、ｐ型不純物および／またはｎ型不純物を５×１０16ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3程度の範囲でドーピングしてもよい。
【００８８】
このような活性層は、前述の通り、第２内部電界の発生を考慮すると、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物半導体結晶により構成されることが好ましく、圧縮歪みを受けたＩｎＧａＮで構成することが特に好ましい。
【００８９】
＜窒化物半導体結晶の組成など＞
ｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層をそれぞれ構成する窒化物半導体結晶としては、上記に特に例示したものの他、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結晶としては、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、作製上の都合等を鑑みて適宜選択することができる。
【００９０】
いずれの層も、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相デポジション）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシャル）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。なお、基板にサファイアを用いる場合には、成長面の制御性に優れているので、ＭＢＥ法を用いることが好ましい。
【００９１】
また、ｎ型半導体層とｐ型半導体層は、上記の窒化物半導体結晶に変えてＺｎＯまたはＧａＡｓ系等の材料により構成することもできる。
【００９２】
＜リッジ構造＞
本発明の半導体レーザ素子では、好適な実施形態としてｐ型半導体層またはｎ型半導体層の少なくとも一部に、上記したストライプ状（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。
【００９３】
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。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。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。
【００９４】
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。
【００９５】
＜共振器および端面＞
本発明の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｛０００１｝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。
【００９６】
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。
【００９７】
＜絶縁膜＞
ｐ型半導体層の上面（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型半導体層を露出させるようにして形成する必要がある。
【００９８】
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。
【００９９】
＜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型半導体層に接触する。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型半導体層とは絶縁膜６０を挟むことにより絶縁されていることが好ましい。
【０１００】
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。
【０１０１】
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、所望される種々の特性を考慮して適宜設計することができる。
【０１０２】
たとえば、第２領域９２を長くするほど共振器内のトータルでの光吸収量が増大し、閾値電流やスロープ効率が悪化し、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などのデメリットがある一方で、自励発振特性を示しやすくなる（すなわち自励発振しやすくなる）というメリットがある。この場合に限らず、閾値電流やスロープ効率などのレーザの基本特性と自励発振の起こりやすさは常にトレードオフの関係にある。この関係を打ち破るためには、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可飽和吸収領域を小さくするしかない。したがって、第２領域９２は短い方が好ましく、少なくとも第１領域９１よりも短くすることが好ましい。より好ましくは、この第２領域９２は第１領域９１の１／１０程度の長さよりもさらに短くすることが好適である。２領域よりも多くの領域に分離されている場合でも同様の現象を考慮して適宜設計するとよい。
【０１０３】
なお、可飽和吸収領域とする領域（上記の場合第２領域９２）のｐ側電極とｎ側電極とは、前述の通り、電気的に短絡されていることが好ましい。このような短絡は、たとえば対応するｐ側電極とｎ側電極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。
【０１０４】
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半導体レーザ素子は、従来の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、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。
【０１０５】
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層側とする）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。
【０１０６】
なお、このようなｐ側電極７０は、半導体層の積層順序により基板と接触するようにして形成することもできる。
【０１０７】
＜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（半導体層が積層される面とは反対側の面）上に基板１０と接触するようにして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。
【０１０８】
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型半導体層上に、ｎ型半導体層と接触するようにして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。
【０１０９】
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層側とする）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。
【０１１０】
なお、このようなｎ側電極８０は、半導体層の積層順序によりｎ型半導体層と接触するようにして形成することもできる。
【０１１１】
＜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などを考慮して、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。
【０１１２】
＜コーティング膜＞
端面１１０および端面１２０にはそれぞれ、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage：瞬時光学損傷）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の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。
【０１１３】
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。このようなコーティング膜は、通常５０〜１０００ｎｍ程度の厚みを有することが好適である。
【０１１４】
＜共振器長およびチップ幅＞
本発明の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。
【０１１５】
＜製造方法＞
本発明の半導体レーザ素子の製造方法について、半導体層として窒化物半導体層を形成する場合を例にとり、図１〜図３を参照して説明する。
【０１１６】
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法以外に、ＭＢＥ法や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やフラックス法などの液相成長法などを用いて形成することもできる。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。なお、活性層において、第２内部電界を発生させるためには、臨界膜厚以下の層厚にする必要がある。臨界膜厚とは、それ以上の膜厚では結晶中にクラック、転位等が生じて歪みが緩和してしまう層厚のことである。臨界膜厚の値は、歪み量によって変わり、たとえば、ＩｎＧａＮがＧａＮに対して歪んでいれば、Ｉｎ組成が高いほど臨界膜厚は薄くなる。臨界膜厚以下であれば、活性層は歪みを維持できるので、ピエゾ電界よりなる第２内部電界を発生させることができる。臨界膜厚は、Ｘ線回折法などで予め知ることができる。
【０１１７】
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。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。
【０１１８】
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に接触する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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
以上の工程（ウェハプロセス）により、ウェハが形成される。
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
また、このとき、バー分割位置によって、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。
【０１２５】
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よい。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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、本発明の半導体レーザ素子が製造される。
【０１２８】
上記の製造方法により得られた本発明の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。
【０１２９】
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、同じく−側端子と接続するｎ側電極との間で電気的に短絡されることになる。また、第２領域のｐ側電極は、ｎ側電極と接続されたステム本体と接続することでもｎ側電極と電気的に短絡することができる。
【０１３０】
また、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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
＜用途＞
本発明の半導体レーザ素子は、良好な自励発振特性を備え、容易に自励発振を行なうことができる。このため、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する必要がないので、ＢＤの光源として用いる際に、システムの簡略化や小型化が可能となる。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。
【０１３３】
さらに、本発明の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などの光ディスク用途だけでなく、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。
【０１３４】
一方、本発明の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。
【実施例】
【０１３５】
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。
【０１３６】
＜実施例１＞
本実施例の半導体レーザ素子を、その構造を模式的に示す図６および図７（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。
【０１３７】
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（図４参照）。
【０１３８】
また、ｎ型半導体層としての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型半導体層としての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。
【０１３９】
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、０．１７μｍ（１７０ｎｍ）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。
【０１４０】
活性層３０は、図７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６ｎｍ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、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。
【０１４１】
これらの窒化物半導体層を構成する窒化物半導体結晶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が１×１０19ｃｍ-3、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がいずれも５×１０18ｃｍ-3である。なお、活性層には、意図的なドーピングは行なわなかった。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、図６に示す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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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８のようなパターンのパッド電極とした。ｐ側電極の積層構造のうち、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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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、本実施例の半導体レーザ素子である窒化物半導体レーザ素子を得た。
【０１５１】
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（ｐ側電極７１）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（ｐ側電極７２）はｎ側電極と電気的に接続されたステムの−端子とワイヤボンディングすることで、第１領域９１は利得領域となり、第２領域９２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。
【０１５２】
本実施例の半導体レーザ素子について、バンド計算を行なった結果を図９に示す。本実施例においては、外部バイアス電圧は印加していない。また、本実施例の活性層はＩｎＧａＮであるので、自発分極については前述のとおり無視した。また、各層はＧａＮの格子定数に揃うことで歪みを有しているものとした。すなわち、ＩｎＧａＮからなる活性層であれば必ず圧縮歪みを受けているものとした。
【０１５３】
本実施例の活性層の結晶方位は基板から引き継いでおり、（０００−１）面が上面である。このため、活性層の井戸層にはｐｎ接合による第１内部電界と同じ方向に格子歪み（格子不整合による歪み）に起因したピエゾ電界（第２内部電界）が生じており、図９に示すように井戸層ではｎ型半導体層側が下がるようなバンド図になる。
【０１５４】
これに対し、比較例１として、ｐ型半導体層、活性層、ｎ型半導体層が、いずれも（０００＋１）面を上面とする点のみが本実施例の半導体レーザ素子と異なる点を除き、他は本実施例と全く同様にして半導体レーザ素子を作製し、この半導体レーザ素子についてもバンド計算を行なった。その結果を図１０に示す。この比較例１においても、外部バイアス電圧は印加していない。
【０１５５】
比較例１の半導体レーザ素子では、本実施例の半導体レーザ素子と大きさが同じで方向が反対方向のピエゾ電界が各半導体層の界面に生じる。したがって、比較例１の半導体レーザ素子の活性層の井戸層には、ｐｎ接合による第１内部電界と反対の方向にピエゾ電界（第２内部電界）が生じる。
【０１５６】
このため、図９および図１０を比較すると明らかなように、本実施例の半導体レーザ素子では、その井戸層においてｎ型半導体層側が下がるようなバンドになっているのに対して、比較例１の半導体レーザ素子では、その井戸層においてｎ型半導体層側が上がるようなバンドとなっている。
【０１５７】
この比較例１のようなバンド図であると、光吸収によって活性層（井戸層）に生じたキャリアは井戸層から外へ掃き出されにくくなる。
【０１５８】
因みに、この比較例１の場合、逆バイアス電圧を印加すると、ｎ型半導体層側が引き下げられるようなバンドの形となり、逆バイアス電圧の増加にしたがい次第にキャリアが掃き出されやすくなる。すなわち、比較例１では、逆バイアス電圧を５Ｖ印加して始めて自励発振が観測された。なお、自励発振の有無は光オシロスコープで行なうことができる。
【０１５９】
これに対して、本実施例では、逆バイアス電圧を印加しなくても、井戸層においてｎ型半導体層側が下がるバンドの形になっているので、光吸収によって活性層（井戸層）に生じたキャリアは速やかに井戸層外へ掃き出され、第１内部電界と第２内部電界の作用によって、電子はｎ型半導体層側、正孔はｐ型半導体層側へ速やかに拡散していく。
【０１６０】
したがって、本実施例では活性層に発生したキャリアの寿命を短くすることができるのに対して、比較例１の活性層ではキャリヤ寿命を短くすることは期待できない。これにより、本実施例の半導体レーザ素子は、容易に自励発振特性を示す（自励発振しやすい）ものとなる。現に、本実施例の半導体レーザ素子では、逆バイアス電圧を印加することなく自励発振が確認できた。
【０１６１】
このように本実施例の半導体レーザ素子により優れた効果が示されるのは、本発明のような分離電極タイプ（ｐ側電極およびｎ側電極の少なくとも一方が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たもの）の半導体レーザ素子において、活性層が、少なくともその一部において（本実施例では井戸層において）、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界（本実施例では格子歪みに起因するピエゾ電界）が発生していることによるものである。
【０１６２】
なお、本発明においては、上記活性層のうち、障壁層においても、ｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していることが好ましい。しかし、障壁層には、井戸層と異なり、第１内部電界の方向とは反対方向の第２内部電界が生じることがある。図９では、ピエゾ電界（第２内部電界）は、井戸層において生じた方向とは反対方向に生じ（すなわち第１内部電界と反対の方向に生じ）、その結果、第２内部電界はｐｎ接合による第１内部電界によって相殺されるため、第１内部電界が第２内部電界よりも大きい場合に限って井戸層と同方向の内部電界（第１内部電界と第２内部電界とが相殺された結果の内部電界）を障壁層が有することになる（本実施例である図９はこの場合を示している）。
【０１６３】
したがって、本発明の効果は、活性層が量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する場合、少なくとも井戸層においてｎ型半導体層とｐ型半導体層とのｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、該第１内部電界とは異なる種の第２内部電界が発生していれば得られる。
【０１６４】
なお、上記の点を満たしている限り、本実施例の半導体レーザ素子の構造以外の構造として種々の変形を行なうことができる。たとえば、窒化物半導体層に代えて、半導体層（活性層）としてＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系等の半導体層を、ＧａＡｓ｛１１１｝基板上に作製すれば、格子不整合に起因するピエゾ電界が発生するので、本発明の効果を奏することができる。
【０１６５】
ただし、窒化物半導体層はバンドギャップが大きいというと特徴を有するため、ｐｎ接合による第１内部電界が他の半導体系に比べて大きい。そのため、窒化物半導体層は分離電極タイプの半導体レーザ素子において自励発振を得るのにより適しており、本発明の効果を顕著に示すことができる。
【０１６６】
なお、本実施例では可飽和吸収領域である第２領域９２のｐ側電極７２とｎ側電極８０とが短絡されているが、必ずしも短絡されている必要はない。この短絡は可飽和吸収領域のキャリア寿命をより短くするためのものであるので、短絡せずとも自励発振が得られるような場合は、あえて短絡を行なう必要はない。また、半導体層の成長条件によっては、ｐ型半導体層やｎ型半導体層の一部が活性層の結晶方位と異なるものになる可能性もあるが、本発明の効果は、活性層について所望の結晶方位となっていれば得られる。なお、結晶成長の上面が（０００＋１）面であるか（０００−１）面であるかは、ＣＢＥＤ（convergent beam electron diffraction）法またはＣＡＩＣＩＳＳ（CoAxial Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy）などの手法で確認することができる。
【０１６７】
本実施例の半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加することなく自励発振が得られるので、ＢＤの光源（特に読み取り光源）として用いる際に、システムの簡略化や小型化が可能となる。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。
【０１６８】
また、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半導体レーザ装置に本実施例の半導体レーザ素子を用いた際にも、光誘起電流が増大するので検知能力が向上する。
【０１６９】
また、ＢＤ用途だけでなく、画像表示を行なうディスプレイ用途としても、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。
【０１７０】
＜実施例２＞
本実施例の半導体レーザ素子は、窒化物半導体レーザ素子であって、基板１０としてｐ型ＧａＮ基板を用い、かつ図１１に示すように活性層３０の上面が（０００＋１）面であって、活性層３０の下側、すなわち［０００−１］方向にｐ型窒化物半導体層４０が位置し、［０００＋１］方向にｎ型窒化物半導体層２０が位置している点、およびそれに伴いｐ側電極７０とｎ側電極８０との配置関係が上下逆転している点を除き、実施例１の半導体レーザ素子と同様の構造を有している。
【０１７１】
本実施例の半導体レーザ素子においても、活性層の井戸層にはｐｎ接合による第１内部電界の方向と同じ方向に、格子歪み（格子不整合による歪み）に起因したピエゾ電界（第２内部電界）が生じる。本実施例の半導体レーザ素子のバンド計算の結果を示すと、後述の図１２と同様のものとなり、実施例１でバンド計算を実施した構造（図９）を基準として、半導体層の積層構成を上下反転させた場合についての計算結果となる。このように、本実施例の半導体レーザ素子のような半導体層の積層構成によっても本発明の効果が得られることが分かる。
【０１７２】
＜実施例３＞
本実施例は、半導体レーザ素子として窒化物半導体レーザ素子に関するものであり、その端面に平行な断面の模式的な断面図を図１３（各層の厚みを正確には反映していない）に示す。
【０１７３】
まず、基板１０として、上面を（０００＋１）面とするｎ型ＧａＮを用いた。実施例２のようにｐ型ＧａＮからなる基板を用いると、実施例１の半導体層の積層構成を上下反転させることで、所望の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。しかし、そのようなｐ型ＧａＮからなる基板は入手が困難であるので、ｎ型ＧａＮ基板を用いた。
【０１７４】
図１３に示すように、ｐ型窒化物半導体層４０は、ｐ型クラッド層４３、ｐ型ガイド層４２、キャリアブロック層４１を含むように構成し、ｎ型窒化物半導体層２０は、ｎ型ガイド層２３、ｎ型クラッド層２２、ｎ型ＧａＮ層２１を含むように構成した。
【０１７５】
具体的には、基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、１．０μｍ（１０００ｎｍ）の厚みを有するｐ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなるｐ型クラッド層４３、０．１０μｍ（１００ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層４２、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、活性層３０、０．１７μｍ（１７０ｎｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層２３、０．５５μｍ（５５０ｎｍ）の厚みを有するｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層２２、０．１μｍ（１００ｎｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮ層２１を順次形成した。
【０１７６】
活性層３０は、図１４に示すように、キャリアブロック層４１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６ｎｍ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、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、実施例１と同様、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。
【０１７７】
これらの窒化物半導体層を構成する窒化物半導体結晶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）を用いた。また、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、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が１×１０19ｃｍ-3、ｐ型クラッド層４３、ｐ型ガイド層４２がいずれも５×１０18ｃｍ-3である。
【０１７８】
また、活性層には意図的なドーピングは行なわなかった。
成長温度は、ｐ型窒化物半導体層４０が１０７５℃、活性層３０が７８０℃、ｎ型窒化物半導体層２０が１０２５℃である。
【０１７９】
また、図１３に示す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。実施例１と異なり、ｎ型窒化物半導体層２０の一部を除去してリッジストライプ部５５を形成した。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。
【０１８０】
また、絶縁膜６０とｎ側電極８０とを図１３に示すとおり形成した。絶縁膜６０は実施例１と同様の材料および構成とし、同様の方法で形成した。ｎ側電極８０は、実施例１と同じ材料および構成とし、実施例１のｐ側電極７０に相当する位置に形成した。
【０１８１】
一方、ｐ側電極７０は実施例１と同じ方法で基板１０の裏面に形成することはできないので、リッジストライプ部５５が設けられていない領域において、ｐ型クラッド層４３が露出される深さまでＩＣＰドライエッチング法を用いて掘り込んで（各半導体層を除去し）、露出されたｐ型クラッド層４３の上面に接触してｐ側電極７０を形成した。ｐ側電極７０の材料と構成は、実施例１と同じである。
【０１８２】
続いて、ｎ側電極８０を、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領域に分離した。ただし、ｎ型窒化物半導体層２０はｐ型窒化物半導体層４０に比べて低抵抗であるので、ｎ側電極８０を分離するだけでは隣接する領域間を電気的に十分に分離することは困難であるので、分割領域９５の位置にあるｎ型窒化物半導体層２０をＩＣＰドライエッチング法を用いて活性層の上部辺りまで掘り込んだ（除去した）。この工程はリッジストライプ部５５の形成と同時に行なった。
【０１８３】
その後、実施例１と同じ方法で基板の薄化、端面の形成、コーティング膜の形成、チップ分割、実装など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。
【０１８４】
本実施例の半導体レーザ素子についてバンド計算を行なうと、図１２のようになり、実施例１と同様に井戸層からキャリアが掃き出されやすい構造になっているので、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くできる。そのため、本実施例の半導体レーザ素子は自励発振が起こりやすくなっており、逆バイアスを印加することなく自励発振が得られた。したがって、本実施例の半導体レーザ素子は、実施例１の半導体レーザ素子と同様に優れた効果を示すものであった。
【０１８５】
上記で説明した本発明の実施の形態の半導体レーザ素子は、上記した実施例に限定されるものではなく、上記した実施例以外の構成とすることもできる。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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】
【０１８８】
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、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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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