(57)【要約】【課題】電流を効率よく狭窄でき、且つマルチモード発振を抑制できるIII族窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１０は、ｎ型半導体領域１２と、活性層４４を含むアンドープ半導体層１４と、所定方向に延びる開口１６ａを有する電流狭窄層１６と、ｐ型半導体領域１８とを備える。電流狭窄層１６のバンドギャップは、ｐ型半導体領域１８のバンドギャップより大きい。ｐ型半導体領域１８は、上部光ガイド層３２及びクラッド層３３，３４を含む。アンドープ半導体層１４は、活性層４４上に設けられた上部光ガイド層４６を更に含む。電流狭窄層１６は、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．５，０．５≦ｙ１≦１）からなる。電流狭窄層１６の厚さは、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。開口１６ａの幅は、１．３μｍ以上２．３μｍ以下である。【選択図】図２
2011159805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のIII族窒化物半導体からなる第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に設けられ、アンドープIII族窒化物半導体からなり活性層を含むアンドープ半導体層と、
III族窒化物半導体からなり、前記アンドープ半導体層上に設けられ、所定方向に延びる開口を有する電流狭窄層と、
第２導電型のIII族窒化物半導体からなり、少なくとも前記開口により前記電流狭窄層から露出した前記アンドープ半導体層上及び前記電流狭窄層上に設けられた第２の半導体領域と
を備え、
前記電流狭窄層のバンドギャップが前記第２の半導体領域のバンドギャップより大きく、
前記第２の半導体領域が、前記開口により前記電流狭窄層から露出した前記アンドープ半導体層上、及び前記電流狭窄層上に設けられた第２導電型光ガイド層、及び前記第２導電型光ガイド層上に設けられた第２導電型クラッド層を含み、前記第２導電型光ガイド層のバンドギャップが前記第２導電型クラッド層のバンドギャップより小さく、
前記アンドープ半導体層が、前記活性層上に設けられたアンドープ光ガイド層を更に含み、前記アンドープ光ガイド層のバンドギャップが前記第２の半導体領域の前記第２導電型クラッド層のバンドギャップより小さく、
前記電流狭窄層がＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．５，０．５≦ｙ１≦１）からなり、
前記電流狭窄層の厚さが２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記所定方向と交差する方向における前記開口の幅が１．３μｍ以上２．３μｍ以下であることを特徴とする、III族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記電流狭窄層と前記アンドープ半導体層との間隔が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記電流狭窄層が前記アンドープ半導体層と接していることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２の半導体領域が、前記第２導電型光ガイド層と前記アンドープ半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に含み、
前記電子ブロック層のバンドギャップが、前記アンドープ半導体層及び前記第２導電型光ガイド層のバンドギャップより大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２の半導体領域の前記第２導電型光ガイド層が第２導電型のＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１）からなり、前記アンドープ半導体層の前記アンドープ光ガイド層がアンドープＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３≦１）からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記電流狭窄層がＡｌＮからなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１の半導体領域が第１導電型の窒化ガリウム基板を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子が記載されている。この半導体レーザ素子の積層構造を図１０に示す。この半導体レーザ素子３００では、ｎ型ＧａＮ基板３０１上に、ｎ型ＧａＮ層３０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層３０４、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮバリア層とからなる多重量子井戸層３０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層３０６、ｐ型ＧａＮガイド層３０７が順に積層されている。そしてこの上に、開口３０８ａを有する電流狭窄層３０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０が順に積層されている。この積層構造の上部および下部に、それぞれｎ型電極３１１およびｐ型電極３１２が設けられている。
【０００３】
また、特許文献２には、上記と同様の構成を備える半導体レーザ素子が記載されている。この半導体レーザ素子では、活性層上にｐ型ＧａＮ上部ガイド層及びｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層が積層されており、このｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層上に電流狭窄層が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０７８２１５号公報
【特許文献２】特開２００８−２９４０５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
活性層と上部クラッド層との間に、開口を有する電流狭窄層が設けられた構造（いわゆる内部ストライプ構造）を備える半導体レーザ素子がある。従来より、このような内部ストライプ型の半導体レーザ素子では、特許文献１及び２にも記載されているように、電流狭窄層が光ガイド層より上（すなわち、活性層から見て光ガイド層より外側）に設けられている。しかし、活性層と電流狭窄層との距離が長いと電流を効率的に狭窄できず、発光効率が抑えられてしまうという問題がある。また、電流狭窄層の厚さや開口幅によっては、マルチモード発振が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、電流を効率よく狭窄でき、且つマルチモード発振を抑制できるIII族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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子は、（ａ）第１導電型のIII族窒化物半導体からなる第１の半導体領域と、（ｂ）第１の半導体領域上に設けられ、アンドープIII族窒化物半導体からなり活性層を含むアンドープ半導体層と、（ｃ）III族窒化物半導体からなり、アンドープ半導体層上に設けられ、所定方向に延びる開口を有する電流狭窄層と、（ｄ）第２導電型のIII族窒化物半導体からなり、少なくとも開口により電流狭窄層から露出したアンドープ半導体層上及び電流狭窄層上に設けられた第２の半導体領域とを備える。電流狭窄層のバンドギャップは、第２の半導体領域のバンドギャップより大きい。第２の半導体領域は、開口により電流狭窄層から露出したアンドープ半導体層上、及び電流狭窄層上に設けられた第２導電型光ガイド層、及び第２導電型光ガイド層上に設けられた第２導電型クラッド層を含み、第２導電型光ガイド層のバンドギャップが第２導電型クラッド層のバンドギャップより小さい。アンドープ半導体層は、活性層上に設けられたアンドープ光ガイド層を更に含み、アンドープ光ガイド層のバンドギャップが第２の半導体領域の第２導電型クラッド層のバンドギャップより小さい。電流狭窄層は、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．５，０．５≦ｙ１≦１）からなる。電流狭窄層の厚さは、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。所定方向と交差する方向における開口の幅は、１．３μｍ以上２．３μｍ以下である。
【０００８】
このIII族窒化物半導体レーザ素子においては、アンドープ半導体層が活性層およびアンドープ光ガイド層を含んでおり、電流狭窄層はその上に設けられている。そして、第２の半導体領域は、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層を含んでおり、第２導電型光ガイド層は、開口により電流狭窄層から露出したアンドープ半導体層上、および電流狭窄層上に設けられている。すなわち、電流狭窄層はクラッド層より内側で活性層より外側の領域、つまり光ガイド層内部に設けられている。これにより、電流狭窄層と活性層との距離が短くなり、電流を効果的に狭窄することができる。また、本発明者らは、電流狭窄層のＡｌ組成を０．５以上とすることによって、より効果的に電流を狭窄できることを見出した。また、本発明者らは、電流狭窄層の厚さが２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であること、且つ、所定方向と交差する方向における開口の幅が１．３μｍ以上２．３μｍ以下であることによって、マルチモード発振を好適に抑制できることを見出した。以上のことから、上述したIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、電流を効率よく狭窄でき、且つマルチモード発振を抑制できる。
【０００９】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、電流狭窄層とアンドープ半導体層との間隔が１００ｎｍ以下であることが好ましい。特に、電流狭窄層がアンドープ半導体層と接していれば尚好適である。
【００１０】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、第２の半導体領域が、第２導電型光ガイド層とアンドープ半導体層との間に設けられた電子ブロック層を更に含み、電子ブロック層のバンドギャップが、アンドープ半導体層及び第２導電型光ガイド層のバンドギャップより大きいことが好ましい。
【００１１】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、第２の半導体領域の第２導電型光ガイド層が第２導電型のＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１）からなり、アンドープ半導体層のアンドープ光ガイド層がアンドープＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３≦１）からなることが好ましい。
【００１２】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、電流狭窄層がＡｌＮからなることが好ましい。
【００１３】
また、III族窒化物半導体レーザ素子は、第１の半導体領域が第１導電型の窒化ガリウム基板を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、電流を効率よく狭窄でき、且つマルチモード発振を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の一実施形態の構成を示す切欠斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した半導体レーザ素子のＹＺ平面に沿った断面における構造を示す図である。
【図３】図３は、電流狭窄層のＡｌ組成と閾値電流Ｉｔｈ（ｍＡ）との関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は、電流狭窄層の厚さ（ｎｍ）と１次モード発振出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、電流狭窄層の厚さ（ｎｍ）と３次モード発振出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、電流狭窄層の開口幅Ｗ（μｍ）と、半導体レーザ素子の両端電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。図５（ｂ）は、電流狭窄層の開口幅Ｗ（μｍ）と、１次モード発振出力との関係を示すグラフである。図５（ｃ）は、電流狭窄層の開口幅Ｗ（μｍ）と、３次モード発振出力との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、電流狭窄層の厚さ（ｎｍ）および電流狭窄層の開口幅Ｗの好適な範囲を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、電流狭窄層のアンドープ半導体層からの距離（ｎｍ）と１次モード発振出力（ｍＷ）との関係を示すグラフである。図７（ｂ）は、電流狭窄層のアンドープ半導体層からの距離（ｎｍ）と閾値電流Ｉｔｈ（ｍＡ）との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図９】図９は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における工程フローを示す図面である。
【図１０】図１０は、特許文献１に記載されたIII族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子の積層構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の一実施形態として、半導体レーザ素子１０の構成を示す切欠斜視図である。この半導体レーザ素子１０は、ｎ型半導体領域１２と、ｎ型半導体領域１２上に設けられたアンドープ半導体層１４と、アンドープ半導体層１４上に設けられた電流狭窄層１６と、ｐ型半導体領域１８とを備える。
【００１８】
ｎ型半導体領域１２は、本実施形態における第１の半導体領域であり、ｎ型（第１導電型）のIII族窒化物半導体からなる。本実施形態のｎ型半導体領域１２は、ｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）基板２２と、ＧａＮ基板２２の主面２２ａ上にエピタキシャル成長したｎ型半導体層２４とを含む。ＧａＮ基板２２の主面２２ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸の方向に延在する。また、主面２２ａは、ＧａＮ基板２２を構成するＧａＮ単結晶のｃ面からｍ軸の方向に所定角度だけ傾斜している。本実施形態において、ＧａＮ単結晶のｃ面に対する主面２２ａの傾斜角（すなわち、主面２２ａの法線軸Ｎｘ（直交座標系ＳのＺ軸）とｃ軸との成す角）は、ピエゾ電界の影響が効果的に抑制され得る６３°以上８０°以下である。特に、本実施形態のようにＧａＮ基板２２が短波長のレーザダイオードに使用される場合には、ピエゾ電界の発生を抑える為、ＧａＮ単結晶のｃ面に対する主面２２ａの傾斜角は７５°であることが好ましい。
【００１９】
アンドープ半導体層１４は、アンドープIII族窒化物半導体からなる。本実施形態のアンドープ半導体層１４は、下部光ガイド層および上部光ガイド層と、これらの間に設けられた活性層とを含む。アンドープ半導体層１４は、例えばアンドープＩｎＧａＮによって構成される。
【００２０】
電流狭窄層１６は、アンドープ半導体層１４の活性層へ供給されるキャリアを狭窄して集中させるために設けられる。本実施形態の電流狭窄層１６は、III族窒化物半導体からなり、アンドープ半導体層１４と接する。電流狭窄層１６は、所定方向（図１のＸ軸方向）に延びる開口１６ａを有する。電流狭窄層１６は、アンドープＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．５，０．５≦ｙ１≦１）からなり、好ましくはアンドープＡｌＮからなる。
【００２１】
ｐ型半導体領域１８は、本実施形態における第２の半導体領域であり、ｐ型（第２導電型）のIII族窒化物半導体からなる。ｐ型半導体領域１８は、少なくとも、電流狭窄層１６の開口１６ａによって該電流狭窄層１６から露出したアンドープ半導体層１４上、及び電流狭窄層１６上にわたって設けられる。本実施形態では、電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４とが互いに接しているので、ｐ型半導体領域１８は電流狭窄層１６の下側（電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４との間）には設けられていないが、ｐ型半導体領域１８は、電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４との間にも更に設けられてもよい。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１０は、カソード電極１１およびアノード電極１３を更に備える。カソード電極１１は、ＧａＮ基板２２の裏面２２ｂ上の全面にわたって設けられ、ＧａＮ基板２２とオーミック接合を成している。アノード電極１３は、ｐ型半導体領域１８上の全面にわたって設けられ、ｐ型半導体領域１８とオーミック接合を成している。
【００２３】
図２は、図１に示した半導体レーザ素子１０のＹＺ平面に沿った断面における構造を示す図である。図２には、ｎ型半導体領域１２、アンドープ半導体層１４、およびｐ型半導体領域１８の各内部構成が示されている。
【００２４】
図２を参照すると、ｎ型半導体領域１２のｎ型半導体層２４は、ＧａＮ基板２２の主面２２ａ上に順に積層されたｎ型ＧａＮ層２５、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層２６、ｎ型ＧａＮ層２７、およびｎ型ＩｎＧａＮ層２８を含む。これらの各層の厚さは、例えば以下の通りである。
ｎ型ＧａＮ層２５：１０００ｎｍ
ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層２６：１１００ｎｍ
ｎ型ＧａＮ層２７：２５０ｎｍ
ｎ型ＩｎＧａＮ層２８：５０ｎｍ
【００２５】
アンドープ半導体層１４は、下部光ガイド層４２と、下部光ガイド層４２上に設けられた活性層４４と、活性層４４上に設けられた上部光ガイド層４６とを含む。活性層４４は、量子井戸構造４８を有することができ、この量子井戸構造４８は、法線軸Ｎｘ（図１）の方向に交互に配置された井戸層４８ａ及び障壁層４８ｂを含む。井戸層４８ａ及び障壁層４８ｂは、例えばアンドープＩｎＧａＮからなる。障壁層４８ｂを構成する半導体材料のバンドギャップは、井戸層４８ａを構成する半導体材料のバンドギャップより大きい。また、上部光ガイド層４６は、本実施形態におけるアンドープ光ガイド層である。下部光ガイド層４２および上部光ガイド層４６は、例えばアンドープＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３≦１）からなる。下部光ガイド層４２および上部光ガイド層４６を構成する半導体材料のバンドギャップは、井戸層４８ａを構成する半導体材料のバンドギャップより大きく、ｐ型半導体領域１８のクラッド層（後述）を構成する半導体材料のバンドギャップより小さい。これらの各層の厚さは、例えば以下の通りである。
井戸層４８ａ：３ｎｍ
障壁層４８ｂ：１５ｎｍ
下部光ガイド層４２：６５ｎｍ
上部光ガイド層４６：６５ｎｍ
【００２６】
電流狭窄層１６は、上部光ガイド層４６上に設けられており、上部光ガイド層４６と接する。上述したように、電流狭窄層１６は、所定方向（Ｘ軸方向）に延びる開口１６ａを有する。電流狭窄層１６の厚さは、２０ｎｍ以上であることが好ましく、且つ５０ｎｍ以下であることが好ましい。最も好適には、電流狭窄層１６の厚さは２０ｎｍである。また、所定方向と交差する方向（すなわちＹ軸方向）における開口１６ａの幅Ｗは、１．３μｍ以上であることが好ましく、且つ２．３μｍ以下であることが好ましい。最も好適には、開口１６ａの幅は１．８μｍである。なお、ここでいう開口１６ａの幅とは、開口１６ａの内壁面が平坦でないか又は傾斜している場合、主面２２ａの法線軸Ｎｘの方向において最も狭い部分の幅を意味する。
【００２７】
ｐ型半導体領域１８は、アンドープ半導体層１４上に順に積層された、電子ブロック層３１、上部光ガイド層３２、ｐ型ＧａＮクラッド層３３、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４、およびｐ＋型ＧａＮコンタクト層３５を含む。
【００２８】
電子ブロック層３１は、上部光ガイド層３２とアンドープ半導体層１４との間（具体的には、上部光ガイド層３２と上部光ガイド層４６との間）に設けられている。本実施形態では、電流狭窄層１６がアンドープ半導体層１４に接しているので、電子ブロック層３１は、電流狭窄層１６の開口１６ａの内部、すなわち２つの電流狭窄層１６に挟まれた位置に設けられる。電子ブロック層３１は、例えばｐ型ＡｌＧａＮによって構成される。電子ブロック層３１を構成する半導体材料のバンドギャップは、アンドープ半導体層１４（上部光ガイド層４６）及び上部光ガイド層３２を構成する各半導体材料のバンドギャップより大きい。
【００２９】
上部光ガイド層３２は、本実施形態における第２導電型光ガイド層であり、電流狭窄層１６の開口１６ａによって該電流狭窄層１６から露出したアンドープ半導体層１４上、及び電流狭窄層１６上に設けられている。上部光ガイド層３２は、例えばｐ型Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２≦１）からなる。上部光ガイド層３２を構成する半導体材料のバンドギャップは、井戸層４８ａを構成する半導体材料のバンドギャップより大きく、ｐ型ＧａＮクラッド層３３およびｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４を構成する各半導体材料のバンドギャップより小さい。
【００３０】
ｐ型ＧａＮクラッド層３３、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４は、本実施形態における第２導電型クラッド層である。ｐ型ＧａＮクラッド層３３は上部光ガイド層３２上に設けられ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４はｐ型ＧａＮクラッド層３３上に設けられる。ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３５は、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４上に設けられ、アノード電極１３とオーミック接触を成す。
【００３１】
ｐ型半導体領域１８に含まれる上記各半導体層の厚さは、例えば以下の通りである。
電子ブロック層３１：２０ｎｍ
上部光ガイド層３２：５０ｎｍ
ｐ型ＧａＮクラッド層３３：２５０ｎｍ
ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４：４００ｎｍ
ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３５：５０ｎｍ
【００３２】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１０によれば、次の効果が得られる。半導体レーザ素子１０においては、アンドープ半導体層１４が活性層４４および上部光ガイド層４６を含んでおり、電流狭窄層１６はその上に設けられている。そして、ｐ型半導体領域１８は、上部光ガイド層３２および第２導電型クラッド層（ｐ型ＧａＮクラッド層３３、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４）を含んでいる。すなわち、電流狭窄層１６はクラッド層３３，３４より内側で活性層４４より外側の領域、つまり上部光ガイド層の内部に設けられている。これにより、従来の内部ストライプ型の半導体レーザ素子と比較して電流狭窄層１６と活性層４４との距離が短くなり、電流を効果的に狭窄することができる。また、後述する実施例に示すように、本発明者らは、電流狭窄層１６のＡｌ組成を０．５以上とすることによって、より効果的に電流を狭窄できることを見出した。また、後述する実施例に示すように、本発明者らは、電流狭窄層１６の厚さが２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であること、且つ、所定方向と交差する方向（Ｙ軸方向）における開口１６ａの幅Ｗが１．３μｍ以上２．３μｍ以下であることによって、マルチモード発振を好適に抑制できることを見出した。すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子１０によれば、電流を効率よく狭窄でき、且つマルチモード発振を抑制できる。
【００３３】
（第１実施例）
本発明者らは、電流狭窄層１６の構成材料による電流狭窄度合いを調べるために、電流狭窄層１６の構成材料としてのIII族窒化物半導体ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるＡｌ組成ｘを変化させたときの、閾値電流Ｉｔｈの大きさの変化を測定した。その結果を表１に示す。また、図３は、表１の数値をグラフ化したものである。図３において、横軸は電流狭窄層１６のＡｌ組成を示しており、縦軸は閾値電流Ｉｔｈ（ｍＡ）の大きさを示している。なお、本実施例において、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗは１．８μｍであり、電流狭窄層１６の厚さは２０ｎｍであった。また、下部光ガイド層４２および上部光ガイド層３２，４６の構成材料はＩｎ０．０３Ｇａ０．９７ＮもしくはＧａＮであった。
【表１】
2011159805.tif 000003
【００３４】
半導体レーザ素子１０のようなレーザダイオードにおいては、発熱を抑制するため、閾値電流Ｉｔｈは３０ｍＡ以下であることが求められる。表１および図３に示されるように、電流狭窄層１６におけるＡｌ組成が０．５以上であれば、閾値電流Ｉｔｈを３０ｍＡ以下に抑えることができる。すなわち、電流狭窄層１６がアンドープＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．５，０．５≦ｙ１≦１）からなることによって、より効果的に電流を狭窄することができる。
【００３５】
（第２実施例）
本発明者らは、電流狭窄層１６の厚さによるマルチモード発振への影響を調べるために、電流狭窄層１６の厚さを変化させたときの、１次モード発振出力および３次モード発振出力を測定した。その結果を表２に示す。また、図４（ａ）および図４（ｂ）は、表２の数値をグラフ化したものであって、図４（ａ）の縦軸は１次モード発振出力（ｍＷ）を示し、図４（ｂ）の縦軸は３次モード発振出力（ｍＷ）を示している。図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は電流狭窄層１６の厚さ（ｎｍ）である。なお、本実施例において、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗは１．８μｍであり、電流狭窄層１６のＡｌ組成は１．０（すなわちＡｌＮ）であった。また、半導体レーザ素子１０への供給電流を１００ｍＡとした。
【表２】
2011159805.tif 000004
【００３６】
半導体レーザ素子１０のようなレーザダイオードにおいては、１次モード発振出力に対するマルチモード発振出力の割合は１０％以下であることが求められる。表２に示されるように、電流狭窄層１６の厚さが６０ｎｍになると、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合は約１１．８％にもなり、好ましくない。また、電流狭窄層１６の厚さが６０ｎｍから増加するに従って、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合は急激に悪化する傾向がある。これに対し、電流狭窄層１６の厚さが５０ｎｍ以下であれば、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合を約２．６％以下に抑えることができる。すなわち、電流狭窄層１６の厚さが５０ｎｍ以下であることによって、より効果的にマルチモード発振を抑制することができる。
【００３７】
また、電流狭窄層１６の厚さが例えば１０ｎｍといった小さな値では、絶縁性に問題が生じるおそれがある。電流狭窄層１６がアンドープ半導体層１４とｐ型半導体領域１８とを十分に絶縁できなければ、電流狭窄層１６を通して電流が漏れてしまい、効果的に電流を狭窄することができなくなる。したがって、電流狭窄層１６の厚さは２０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３８】
（第３実施例）
本発明者らは、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗによるマルチモード発振への影響を調べるために、開口１６ａの幅Ｗを変化させたときの、１次モード発振出力、３次モード発振出力および全モード発振出力を測定した。その結果を表３に示す。また、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、表３の数値をグラフ化したものであって、図５（ａ）の縦軸はカソード電極１１とアノード電極１３との間の両端電圧（Ｖ）を示し、図５（ｂ）の縦軸は１次モード発振出力を示し、図５（ｃ）の縦軸は３次モード発振出力を示している。図５（ａ）〜図５（ｃ）の横軸は、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗ（μｍ）である。なお、本実施例において、電流狭窄層１６の厚さは２０ｎｍであり、電流狭窄層１６のＡｌ組成は１．０（すなわちＡｌＮ）であった。また、半導体レーザ素子１０への供給電流を１００ｍＡとした。
【表３】
2011159805.tif 000005
【００３９】
第２実施例で述べたように、１次モード発振出力に対するマルチモード発振出力の割合は１０％以下であることが求められる。表３に示されるように、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗが３μｍになると、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合は約２１．６％にもなり、好ましくない。また、開口１６ａの幅Ｗが３μｍから増加するに従って、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合は急激に悪化する傾向がある。これに対し、開口１６ａの幅Ｗが２．３μｍ以下であれば、１次モード発振出力に対する３次モード発振出力の割合を約９．８％以下に抑えることができる。すなわち、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗが２．３μｍ以下であることによって、より効果的にマルチモード発振を抑制することができる。
【００４０】
また、半導体レーザ素子１０のようなレーザダイオードにおいては、発熱を抑制するために、１００ｍＡ電流供給時の両端電圧は１５Ｖ以下である必要がある。しかし、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗが例えば１μｍといった小さな値では、半導体レーザ素子１０の両端電圧が１５．３Ｖと高くなってしまい、好ましくない。したがって、開口１６ａの幅Ｗは１．３μｍ以上であることが好ましい。
【００４１】
以上の第２実施例および第３実施例の結果をまとめると、次のようになる。図６は、第２実施例および第３実施例における測定結果を纏めたグラフであり、縦軸は電流狭窄層１６の厚さ（ｎｍ）を示しており、横軸は電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗを示している。また、図中の直線Ａ１は、電流を効果的に狭窄するための電流狭窄層１６の厚さの境界値（２０ｎｍ）を示しており、図中の直線Ａ２は、半導体レーザ素子１０の発熱を抑制するための開口１６ａの幅Ｗの境界値（１．３μｍ）を示している。また、図中の直線Ａ３は、マルチモード発振を効果的に抑制するための境界線を示している。この直線Ａ３は、開口幅Ｗが１．８μｍ、厚さが５０ｎｍである点Ｐ１と、開口幅Ｗが２．３μｍ、厚さが３５ｎｍである点Ｐ２とを通る直線であり、次の関数で表される。
厚さ（ｎｍ）＝−３０Ｗ＋１０４  （Ｗ：開口幅（μｍ））
開口１６ａの幅Ｗおよび電流狭窄層１６の厚さが、図６に示した直線Ａ１〜Ａ３によって囲まれる領域内であれば、マルチモード発振および発熱を効果的に抑制し、且つ電流を効果的に狭窄することができる。
【００４２】
（第４実施例）
本発明者らは、電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４との距離による電流狭窄への影響を調べるために、電流狭窄層１６のアンドープ半導体層１４からの距離を変化させたときの、１次モード発振出力および閾値電流Ｉｔｈを測定した。その結果を表４に示す。また、図７（ａ）および図７（ｂ）は、表４の数値をグラフ化したものであって、図７（ａ）の縦軸は１次モード発振出力（ｍＷ）を示し、図７（ｂ）の縦軸は閾値電流Ｉｔｈ（ｍＡ）を示している。図７（ａ）および図７（ｂ）の横軸は電流狭窄層１６のアンドープ半導体層１４からの距離（ｎｍ）である。なお、本実施例において、電流狭窄層１６の開口１６ａの幅Ｗは１．８μｍであり、電流狭窄層１６のＡｌ組成は１．０（すなわちＡｌＮ）であった。また、半導体レーザ素子１０への供給電流を１００ｍＡとした。
【表４】
2011159805.tif 000006
【００４３】
実施例１において述べたように、半導体レーザ素子１０のようなレーザダイオードにおいては、発熱を抑制するため、閾値電流Ｉｔｈは３０ｍＡ以下であることが求められる。表４および図７（ｂ）に示されるように、電流狭窄層１６のアンドープ半導体層１４からの距離が１００ｎｍ以下であれば、閾値電流Ｉｔｈを３０ｍＡ以下に抑えることができ、ひいては電流を効果的に狭窄することができる。また、このことから必然的に、電流狭窄層１６上にも光ガイド層が存在する構造となる。本実施形態では、電流狭窄層１６上に上部光ガイド層３２が存在している。なお、電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４との距離の最適値はゼロ、すなわち電流狭窄層１６とアンドープ半導体層１４とが接している状態である。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子の第２実施形態として、半導体レーザ素子１０Ａの断面構造を示す図である。なお、図８に示す断面は、第１実施形態において図１に示したＹＺ平面と同様の平面における断面である。本実施形態の半導体レーザ素子１０Ａと第１実施形態の半導体レーザ素子１０との相違点は、電流狭窄層の厚さである。なお、電流狭窄層を除く他の構成については、第１実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００４５】
本実施形態の半導体レーザ素子１０Ａは、第１実施形態の電流狭窄層１６に代えて、電流狭窄層１７を備える。電流狭窄層１７は、アンドープ半導体層１４の活性層４４へ供給されるキャリアを狭窄して集中させるために設けられる。電流狭窄層１７は、所定方向（Ｘ軸方向）に延びる開口１７ａを有する。
【００４６】
電流狭窄層１７は、上部光ガイド層４６上に設けられており、上部光ガイド層４６と接する。上述したように、電流狭窄層１７は、所定方向（Ｘ軸方向）に延びる開口１７ａを有する。本実施形態では、電流狭窄層１７の厚さは２５ｎｍであり、電子ブロック層３１より厚くなっている。なお、電流狭窄層１７の構成材料および開口１７ａの幅の好適な値は、第１実施形態の電流狭窄層１６と同様である。
【００４７】
本実施形態のように、電流狭窄層は電子ブロック層より厚くてもよく、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１０と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
第３実施形態として、第１実施形態において説明した半導体レーザ素子１０の製造方法を説明する。図９は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１０の製造方法における工程フローを示す図面である。図９に示される各工程に従って、有機金属気相成長法により、半導体レーザ素子１０を作製する。なお、エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００４９】
まず、工程Ｓ１０１として、III族窒化物半導体（好適には窒化ガリウム）からなるウエハを準備する。このウエハの主面は、III族窒化物半導体におけるｃ軸に直交する面、すなわちｃ面に対し６３度以上８０度未満の範囲内で傾斜角を有することが好ましい。このウエハは、第１実施形態におけるＧａＮ基板２２に相当する。
【００５０】
次に、工程Ｓ１０１で用意されたウエハを成長炉内に設置し（工程Ｓ１０２）、ウエハの主面のサーマルクリーニングのための熱処理を行った後、該ウエハの主面上に、ｎ型半導体層２４の各半導体層（ｎ型ＧａＮ層２５、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層２６、ｎ型ＧａＮ層２７、およびｎ型ＩｎＧａＮ層２８）、並びにアンドープ半導体層１４の下部光ガイド層４２としてのアンドープＩｎＧａＮ層を順にエピタキシャル成長させる（工程Ｓ１０３）。
【００５１】
続いて、下部光ガイド層４２上に活性層４４を成長させる（工程Ｓ１０４）。まず、下部光ガイド層４２上に、アンドープＩｎＧａＮからなる障壁層４８ｂをエピタキシャル成長させる（工程Ｓ１０５）。次に、障壁層４８ｂよりバンドギャップが小さいＩｎＧａＮからなる井戸層４８ａを障壁層４８ｂ上にエピタキシャル成長させる（工程Ｓ１０６）。なお、所望の発光波長に応じて、アンドープＩｎＧａＮ井戸層４８ａのＩｎ組成が変更される。以降、障壁層４８ｂ及び井戸層４８ａの成長を交互に繰り返すことによって、多重量子井戸構造４８が形成される（工程Ｓ１０７）。
【００５２】
続いて、活性層４４上に、アンドープ半導体層１４の上部光ガイド層４６としてのアンドープＩｎＧａＮ層、および電流狭窄層１６のためのアンドープＡｌＮ層（もしくはアンドープＡｌＧａＮ層）をエピタキシャル成長させる（工程Ｓ１０８）。そして、アンドープＡｌＮ層をウェットエッチングにより選択的に除去するために、当該基板生産物を成長炉から取り出す。
【００５３】
続いて、アンドープＡｌＮ層上にマスクを形成する（工程Ｓ１０９）。マスクは例えばレジストからなることができる。マスクの開口は、電流狭窄層１６の開口１６ａ、すなわち内部ストライプの形状を規定する。そして、このマスクを用いてアンドープＡｌＮ層に対しウェットエッチングを行い、電流狭窄層１６を形成する（工程Ｓ１１０）。このとき、アンドープＡｌＮ層は、下地のアンドープＩｎＧａＮ層に対して選択的にエッチングされることが好ましい。このエッチングにより、アンドープＡｌＮ層に開口１６ａが形成されて、電流狭窄層１６が提供される。この開口１６ａからは、下地の上部光ガイド層４６の表面が露出される。
【００５４】
続いて、電流狭窄層１６が形成された基板生産物を成長炉に再び配置する。その後、成長炉を用いて、ｐ型半導体領域１８を成長させる（工程Ｓ１１１）。まず、ｐ型半導体領域１８の電子ブロック層３１としてのｐ型ＡｌＧａＮ層の埋め込み再成長を行う。そして、マスクを除去したのち、ｐ型半導体領域１８に含まれる他の半導体層（上部光ガイド層３２、ｐ型ＧａＮクラッド層３３、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層３４、およびｐ＋型ＧａＮコンタクト層３５）を順にエピタキシャル成長させる。
【００５５】
続いて、以上の工程により作製された基板生産物の表面に、電極を形成する（工程Ｓ１１２）。すなわち、ｐ＋型ＧａＮコンタクト層３５上にアノード電極（Ｎｉ／Ａｕ）１３を形成する。また、ウエハの裏面に、カソード電極（Ｔｉ／Ａｌ）１１を形成する。最後に、この基板生産物を劈開することによって共振端面を形成し、更にチップ状に分割することによって、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１０が得られる。
【００５６】
本発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子は、上記各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では基板として窒化ガリウム基板を例示したが、ＡｌＮやＡｌＧａＮといった他のIII族窒化物からなる基板であってもよい。また、上記各実施形態ではアンドープ半導体層の直上に電流狭窄層が設けられているが、アンドープ半導体層と電流狭窄層との間に、第２の半導体領域の一部（電子ブロック層など）が存在してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０…半導体レーザ素子、１１…カソード電極、１２…ｎ型半導体領域、１３…アノード電極、１４…アンドープ半導体層、１６，１７…電流狭窄層、１６ａ，１７ａ…開口、１８…ｐ型半導体領域、２２…基板、２２ａ…主面、２２ｂ…裏面、２４…ｎ型半導体層、２５…ｎ型ＧａＮ層、２６…ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層、２７…ｎ型ＧａＮ層、２８…ｎ型ＩｎＧａＮ層、３１…電子ブロック層、３２，４６…上部光ガイド層、３３…ｐ型ＧａＮクラッド層、３４…ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、３５…ｐ＋型ＧａＮコンタクト層、４２…下部光ガイド層、４４…活性層、４８…量子井戸構造、４８ａ…井戸層、４８ｂ…障壁層。
【図１】
2011159805.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011159805.tif 000010
【図５】
2011159805.tif 000011
【図６】
2011159805.tif 000012
【図７】
2011159805.tif 000013
【図８】
2011159805.tif 000014
【図９】
2011159805.tif 000015
【図１０】
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