(57)【要約】【課題】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した分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、ｎ側電極、ｐ側電極、および共振器を少なくとも含み、該ｎ側電極は、該ｎ型半導体層または該基板に接触し、該ｐ側電極は、該ｐ型半導体層または該基板に接触し、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、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、該複数の井戸層のうち、該ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、該ｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層に比べて層厚が薄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、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、ｎ側電極、ｐ側電極、および共振器を少なくとも含み、
前記ｎ側電極は、前記ｎ型半導体層または前記基板に接触し、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型半導体層または前記基板に接触し、
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、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、
前記複数の井戸層のうち、前記ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、前記ｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層に比べて層厚が薄い、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、前記複数の井戸層のうち、最も薄い層厚を有する、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記複数の井戸層の数は、３である、請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、他の二つの井戸層に比べて層厚が薄く、前記他の二つの井戸層は、互いに等しい層厚である、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記複数の井戸層の数は、２である、請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記複数の井戸層は、同一の材料および同一の組成である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記基板は、上面を（０００＋１）面とするＧａＮである、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記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１〜７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１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
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１１】
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。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物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、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、窒化物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を十分短くする必要がある。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系に比べてバンドギ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】
以上のように、可飽和吸収領域のキャリア寿命をより短くすることが、良好な自励発振特性を得るために必要である。しかしながら、自励発振特性を有する半導体レーザといえども、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザの特性を悪化させるようなことはあってはならない。したがって可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くする際に、利得領域になるべく影響を与えないようにすることが望まれる。可飽和吸収層形成タイプであれば、可飽和吸収領域は利得領域の活性層とは独立した可飽和吸収層として設けられるので、この層でのキャリア寿命が短くなるようにしても、利得領域の活性層に影響を与えないようにすることが可能である。
【００１８】
しかし、分離電極タイプの場合は、可飽和吸収領域と利得領域との活性層が共通するため（両領域で同一の活性層を利用するため）、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くさせようとすると、必然的に利得領域にも影響が及んでしまう。一つの活性層を形成した後にウェハプロセスなどで可飽和吸収領域のみにキャリア寿命を短くさせる構造を設けることも可能ではあるが、比較的容易なプロセスで作製できるという分離電極タイプの大きなメリットが損なわれる。
【００１９】
よって、本発明の課題は、簡便な方法で、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した分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層、ｎ側電極、ｐ側電極、および共振器を少なくとも含み、該ｎ側電極は、該ｎ型半導体層または該基板に接触し、該ｐ側電極は、該ｐ型半導体層または該基板に接触し、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、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、該複数の井戸層のうち、該ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、該ｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層に比べて層厚（厚み）が薄いことを特徴とする。
【００２１】
ここで、上記ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、上記複数の井戸層のうち、最も薄い層厚を有することが好ましい。また、上記複数の井戸層の数は、３であることが好ましく、上記ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、他の二つの井戸層に比べて層厚が薄く、該他の二つの井戸層は、互いに等しい層厚であることが好ましい。また、上記複数の井戸層の数は、２であることが好ましい。
【００２２】
また、上記複数の井戸層は、同一の材料および同一の組成であることが好ましい。また、上記基板は、上面を（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）とするＧａＮであることが好ましい。
【００２３】
また、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（ｐ側電極またはｎ側電極を示す）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。
【００２４】
また、上記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。
一方、本発明は、上記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にも係わり、同じく上記の窒化物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】
【００２５】
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、簡便に自励発振特性と、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザとしての特性とを両立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】
【００２６】
【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】井戸層の層厚と波動関数の重なりの二乗との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子の図２とは異なる態様の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】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９】窒化物半導体レーザ素子の活性層周辺を拡大した図６とは異なる態様の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
＜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。
【００２９】
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、ｎ型半導体層であるｎ型窒化物半導体層２０、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有する活性層３０、ｐ型半導体層であるｐ型窒化物半導体層４０、ｎ側電極８０、ｐ側電極７０、および共振器９０を少なくとも含む構造を有する。ここで、ｎ側電極８０とは、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。通常、ｎ側電極８０は、ｎ型半導体層または基板に接触し、ｐ側電極７０は、ｐ型半導体層または基板に接触する。
【００３０】
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（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。
【００３１】
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。
【００３２】
＜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。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３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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜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。
【００３６】
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。
【００３７】
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極めて好ましい。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
＜活性層の構造＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子の活性層は、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、その複数の井戸層のうちｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、ｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層に比べて層厚が薄いことを特徴とする。
【００４１】
従来の分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子の活性層は、多重量子井戸構造を有する場合であってもそれに含まれる各井戸層の層厚は同一であった。これに対して、本発明においては、各井戸層の層厚を適切に制御することにより、利得領域に影響が及ぶことを回避しつつ、可飽和吸収領域のキャリア寿命を短くし、優れた自励発振特性を得るとともに、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザの特性をも良好なものとしている。すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、簡便な方法で、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ことができるという特徴を示す。以下にそのメカニズムを説明する。
【００４２】
まず、一般的な分離電極タイプの半導体レーザでの、自励発振メカニズムについて説明する。利得領域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ために吸収係数が高くなっている可飽和吸収領域の活性層で吸収される。この光吸収によって可飽和吸収領域の活性層でキャリアが生成される。活性層が量子井戸構造を有する場合は、大半のキャリアは活性層の中でも最もバンドギャップが小さい量子井戸構造中の井戸層にて生成される。そして、生成されたキャリアによって、可飽和吸収領域の吸収係数が小さくなる方向に変化すると共振器内の損失が少なくなるため、過剰な誘導放出光が発生し、利得領域ではキャリアが枯渇してしまいレーザ発振を維持できなくなり、レーザ発振が停止してしまう。
【００４３】
しかし、電流注入は継続して行なわれるので、再び利得領域でレーザ発振が起こるが、この時点で、可飽和吸収領域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。これが自励発振のメカニズムであり、自励発振を起こすためには可飽和吸収領域において速やかに光吸収で生成されたキャリアが消滅すること、すなわちキャリア寿命が短いことが必要となる所以である。
【００４４】
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あるいは非発光再結合や、ドリフトや拡散による輸送などが考えられる。分離電極タイプの半導体レーザ素子における可飽和吸収領域においては、特許文献１に記載のあるとおり、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しているので、すなわちドリフトによる輸送をキャリア消滅機構として用いていることになる。ところが、窒化物半導体レーザ素子特有のピエゾ電界がこの輸送を妨げることを本発明者は見出した。以下に、ピエゾ電界が分離電極タイプの半導体レーザにおける自励発振特性に与える影響について述べる。
【００４５】
従来の一般的な窒化物半導体レーザ素子を構成する半導体層には、ウルツ鉱型結晶構造を有していて上面が（０００＋１）面である窒化物半導体が用いられる。そして、活性層の上方（[０００＋１]方向）にｐ型窒化物半導体層が、下方（[０００−１]方向）にｎ型窒化物半導体層が位置するのが通常である。これは、基板としてｎ型のものが容易に入手できることや、結晶性が劣る傾向の高いｐ型窒化物半導体層を活性層の上側に形成することで活性層の結晶性を損なわないようにすることが、起因していると考えられる。
【００４６】
活性層には、障壁層と井戸層とからなる量子井戸構造が一般に用いられる。そして、井戸層には、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層よりもバンドギャップの小さい材料が用いられるのだが、そのような材料は一般に格子定数が大きいため、圧縮歪みが加わることにより下地の半導体層の格子定数と揃った状態で形成される（コヒーレント成長）のが一般的である。このような井戸層の層厚は１ｎｍ〜２０ｎｍ程度とされることが多く、このような極めて薄い層厚とすることによりコヒーレント成長するものであり、逆に、歪みが緩和してしまうと転位などの欠陥が層中に入ってしまい結晶性が悪化してしまうので、好ましくない。
【００４７】
歪みを有し、かつ上面が（０００＋１）面である窒化物半導体層は、ピエゾ電界を有することになるが、上記したような位置関係や歪みの状況では、井戸層に生じるピエゾ電界の方向は、該層の上面から下面に向かう方向となり、この方向はｐｎ接合による内部電界とは反対の方向に相当する。
【００４８】
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井戸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特性を有する窒化物半導体レーザ素子では、ピエゾ電界は自励発振特性に対する阻害要因となる。よって、本発明は、この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ということを基本原理とするものである。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けるピエゾ電界と自励発振特性との関係は、従来全く知られておらず、本発明者がはじめて見出した知見である。
【００４９】
ところで、ピエゾ電界の影響を低減するために、井戸層の層厚を薄くすることが有効であることは一般に知られている。このため、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子においても単に井戸層の層厚を薄くすることによって、可飽和吸収領域でのキャリア寿命を短くし、自励発振特性を改善することができると考えることも可能である。
【００５０】
しかし、上記した通り、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子では、利得領域と可飽和吸収領域の活性層（すなわち井戸層）が共通であるため、上記の知見により単純に可飽和吸収領域の井戸層の層厚を薄くしてしまうと利得領域の井戸層の層厚も必然的に薄くなってしまう。しかし、下記のように、利得領域において井戸層の層厚が薄くなることは好ましくない。
【００５１】
すなわち、本発明者は、このようなトレードオフの問題を検討するべく、分離電極タイプでない通常の窒化物半導体レーザ素子を用いて種々の実験を繰り返したところ、井戸層の層厚が薄くなるに従い、連続駆動試験中の閾値電流増大の度合いが大きくなることが分かった。その原因については未解明の部分があるが、たとえば活性層の光閉じ込め係数Γactの低下による閾値電流の増大や、キャリア密度が増加しやすくなることに伴うキャリアオーバーフローの増大、単位層厚当たりの光強度分布の増大による発熱劣化の上昇、などが考えられる。以上の理由から、井戸層の層厚は、利得領域では厚い方が好ましく、逆に可飽和吸収領域では薄い方が好ましいということになる。
【００５２】
そこで、上記で得られた知見に基づき、活性層を多重量子井戸構造とした場合の各井戸層の状態について検討した。窒化物半導体においては電子に比べて、正孔の有効質量が大きくモビリティが小さい。そのため多重量子井戸構造を利用しても正孔が均一に注入されない。正孔は、ｐ型半導体層から輸送されるので、ｐ型半導体層に近い側の井戸層には比較的正孔が注入されやすく、ｐ型半導体層から遠ざかってｎ型半導体層に近い側の井戸層には正孔が注入されにくい。したがって、レーザ発振の際には、ｐ型半導体層に近い側の井戸層がレーザ発振に必要なだけの利得を主として有していて、ｎ型半導体層に近い側の井戸層では実際にはレーザ発振にはあまり寄与していないと考えられる。分離電極タイプでない通常の窒化物半導体レーザ素子を用いた、本発明者の上記の検討では、レーザ発振に寄与する井戸層はｐ型半導体層側から数えて１番目のみ、あるいは１番目と２番目の井戸層までである場合が主であることが確認された。つまり、ｐ型半導体層側から数えて２番目、あるいは３番目以降の井戸層はレーザ発振にはあまり寄与していないケースがあることが分かった。したがって、利得領域の特性を決めているのは、ｐ型半導体層に最も近くなる側の井戸層のみであると考えられる。よって、上記の通り、利得領域では井戸層の層厚が厚い方が好ましいことを考慮すると、ｐ型半導体層に最も近くなる側の井戸層を特性に影響を及ぼさない程度の厚さにすれば良いと結論できる。
【００５３】
一方、レーザ発振に寄与する利得が小さいｎ型半導体層側の井戸層については、井戸層の層厚を薄くしても利得領域の特性には直接影響しないと考えられる。したがって、可飽和吸収領域においてキャリアが速やかに消滅するように（すなわち、キャリア寿命を短くすることができるように）、ピエゾ電界の影響を低減するべく、ｎ型半導体層側（より好ましくはｎ型半導体層に最も近くなる側）の井戸層の層厚を薄くすることが好ましいと結論できる。
【００５４】
ただし、ｎ型半導体層側の井戸層だけの層厚を薄くしたとしても、光吸収がｐ型半導体層側の井戸層で生じると、キャリア寿命を低減する効果は得られないとも考えられる。たとえば、可飽和吸収層形成タイプでは、可飽和吸収層のバンドギャップを利得領域の活性層のバンドギャップよりも小さくすることで吸収を促進させることが一般に行なわれる。本発明のような分離電極タイプにおいても、ｎ型半導体層側の井戸層だけにおいてバンドギャップを小さくするように、材料および組成をｐ型半導体層側の井戸層と異ならせることも考えられるが、精密な組成制御が必要となるため、生産時にばらつきの要因となり好ましくない。
【００５５】
本発明者の研究によれば、この問題点について、井戸層の層厚を薄くすると、ピエゾ電界による伝導帯と価電子帯の波動関数の重なりの減少を低減できることが分かった。図４は、ＧａＮからなる障壁層に挟まれたＩｎ組成１０％のＩｎＧａＮからなる井戸層において、伝導帯と価電子帯の波動関数の重なりの二乗を計算し、その結果と層厚との関係を示したグラフである。図４から明らかな通り、井戸層の層厚を薄くすると、波動関数の重なりの二乗が増大することが分かる。波動関数の重なりの二乗は、伝導帯と価電子帯間のキャリア遷移確率、すなわち光吸収の確率に相当するので、可飽和吸収領域では、層厚を薄くした井戸層で優先的に光吸収が生じることになる。
【００５６】
したがって、たとえｎ型半導体層側で井戸層の層厚を薄くしても、上記考察（すなわち利得領域では井戸層の層厚は厚い方が好ましく、可飽和吸収領域では逆に薄い方が好ましい）に反しないことが分かる。
【００５７】
本発明は、上記のような研究結果により完成されたものであり、活性層に含まれる井戸層の層厚をバランスよく制御したものである。すなわち、本発明は、分離電極タイプの窒化物半導体レーザ素子において活性層が複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、その複数の井戸層のうちｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層がｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層に比べて層厚が薄いことを特徴とするものである。本発明は、このような構成を有することにより、優れた自励発振特性を得るとともに、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザの特性をも良好なものにすることができるのである。
【００５８】
＜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１〜図３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る。すなわち、この窒化物半導体層としては、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複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有する活性層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することが好ましい。これは、基板上にｎ型半導体層を形成すると、ｐ型窒化物半導体層よりも結晶性に優れるｎ型窒化物半導体層が、活性層の下に位置することで、活性層の結晶性を良好にできるというメリットがあるためである。
【００５９】
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。
【００６０】
このような本発明の窒化物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。
【００６１】
＜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、上面を（０００＋１）面とする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、上面を（０００＋１）面とするＧａＮを採用することが好ましい。
【００６２】
＜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。
【００６３】
＜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。
【００６４】
＜活性層（井戸層）＞
活性層３０は、上述のように、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有し、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられている。ここで、上記複数の井戸層の数は、特に限定されないが、２または３であることが好ましい。井戸層の数が４以上であると閾値電流が大きくなるので好ましくない場合がある。本発明の特徴は、上述の通り、井戸層の層厚が均一でない点にあり、ｐ型半導体層に最も近くなる側の井戸層に比べてｎ型半導体層に最も近くなる側の井戸層の層厚（厚さ）が薄くなっている点にある。そして、利得領域での影響を最小にしつつ、可飽和吸収領域でのピエゾ電界の影響を効果的に低減することができるという観点から、ｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層は、複数の井戸層のうち、最も薄い層厚を有することが好ましい。なお、本発明において井戸層の数がｎである場合、ｎ型半導体層側から順に、第１井戸層、第２井戸層と呼び、ｎ番目のものを第ｎ井戸層と呼ぶこととする。
【００６５】
ここで、具体的に各井戸層の層厚を説明する。井戸層の数が２であれば、第１井戸層（すなわちｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層）が第２井戸層（すなわちｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層）に比べて薄くなっている。この場合、第１井戸層は１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍよりも薄いと作製が困難となるので好ましくない。４ｎｍ以下であれば、ピエゾ電界の影響を低減できるので、可飽和吸収領域において光を吸収しやすく、またキャリア寿命も短くできるので好ましい。より好ましくは、ピエゾ電界の影響をより低減できるのでその層厚は３ｎｍ以下とすることが好適である。一方、第２井戸層は、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、第２井戸層の層厚は、第１井戸層より厚くする必要がある。３ｎｍよりも薄いと前述の通り信頼性が損なわれるので好ましくない。１０ｎｍよりも厚いと量子効果が弱まる等の理由から、閾値電流が高くなるので好ましくない。より好ましくは４ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００６６】
井戸層の数が３であれば、第１井戸層（すなわちｎ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層）の層厚は、第３井戸層（すなわちｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する井戸層）の層厚よりも薄くなる。より好ましくは、第１井戸層の層厚は、第２井戸層および第３井戸層よりも薄いことが好適である。また、第２井戸層と第３井戸層の層厚は、特に限定されないが、第２井戸層と第３井戸層の層厚を互いに等しくすることが好ましい。これは、両者の層厚を等しくすることにより両者の利得スペクトルを近いものにすることができる（井戸層の層厚が異なると状態密度やキャリアの注入が異なることで利得スペクトルが一致せず利得が分散してしまう）ので、より効率よくレーザ発振に寄与する利得を得ることができ、閾値電流を低くできるためである。このように井戸層の数が３である場合、第１井戸層の層厚は１ｎｍ以上４ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、第２井戸層と第３井戸層の層厚は３ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは４ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。これらの理由は、井戸層の数が２である場合と同じである。なお、第２井戸層と第３井戸層の層厚は第２井戸層の方が薄くなっていても構わないが、この場合でも第１井戸層が第２井戸層よりも薄くなっていることが好ましい。第２井戸層の方が第１井戸層よりも薄いと、第２井戸層で光吸収が最も多くなってしまい、本来利得領域で優先的に機能させたい第２井戸層が可飽和吸収領域で機能してしまう。すると、自励発振特性については問題ないが、通常の半導体レーザ特性については、利得領域での井戸層の層厚が不足するため、閾値電流や信頼性を損なってしまう。したがって、第２井戸層が第３井戸層の層厚よりも薄くなっている場合は、第１井戸層が第２井戸層よりもさらに薄くなっていることが好ましい。なお、井戸層の数が４以上である場合も、井戸層の数が３以下である場合と同様の要領で膜厚を設定することができる。
【００６７】
本発明において活性層は、窒化物半導体により構成されることから、井戸層も窒化物半導体から構成される。そして、複数の井戸層は、同一の材料および同一の組成であることが好ましい。各井戸層において材料および組成を変えると、生産の際のばらつきを防止することが困難となるからである。ただし、組成については、層厚の薄いｎ型半導体層側の井戸層をｐ型半導体層側の井戸層に比べてバンドギャップが小さくなるような組成とすることができ、これにより光吸収が促進され自励発振が得られやすくなる。しかし、このように組成を変更すると、生産の際に組成変動がばらつきの要因になりかねないので、上記の通り各井戸層で組成を同一とすることが好ましい。
【００６８】
なお、このような活性層には、障壁層も含まれ、この障壁層は井戸層と同じく窒化物半導体からなっている。その組成や層厚は光閉じ込めやキャリア閉じ込めなどの点を考慮して、適宜設定される。
【００６９】
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。
【００７０】
＜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、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。
【００７１】
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。
【００７２】
＜リッジ構造＞
本発明の窒化物半導体レーザ素子では、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、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。
【００７３】
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程度とすることができる。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。
【００７４】
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。
【００７５】
＜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。
【００７６】
＜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。
【００７７】
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。
【００７８】
＜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。
【００７９】
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とが好ましい。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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
なお、このようなｐ側電極７０は、上記のようにｐ型半導体層に接触するようにして形成することができるが、半導体層の積層順序等に起因して基板と接触するようにして形成することもできる。
【００８６】
＜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。
【００８７】
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り露出した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。
【００８８】
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。
【００８９】
＜電極のパターニング＞
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、一部または全面に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。
【００９０】
＜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。
【００９１】
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。
【００９２】
＜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。
【００９３】
＜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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。第２領域のｐ側電極はまた、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
＜用途＞
本発明の窒化物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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【実施例】
【０１１３】
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。
【０１１４】
＜実施例１＞
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。
【０１１５】
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（すなわち上面）は（０００＋１）面とした。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
活性層３０は、具体的には図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、３ｎｍの厚みを有するＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる第１井戸層３２と、その上に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、その上に７．５ｎｍの厚みを有するＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる第２井戸層３４を形成した。そして、第２井戸層３４上に、最も上層となる１５ｎｍの厚みを有する最終障壁層３５（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つの井戸層（第１井戸層３２、第２井戸層３４）を含む多重量子井戸構造として構成した。
【０１１９】
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。活性層へは意図的に不純物ドープは行わなかった。
【０１２０】
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。
【０１２１】
また、図５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、高さは０．５２μｍ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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
本実施例の窒化物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８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、各層はＧａＮの格子定数に揃うことで歪みを有していて、歪み量に応じたピエゾ電界が発生しているものとした。本実施例の活性層の井戸層においては、ピエゾ電界の影響でｎ型半導体層側が上がるようなバンド図になっている。キャリア寿命を支配する井戸層からのキャリアの掃き出しに関して、電子と正孔を比べると有効質量が大きくモビリティの小さな正孔の方が掃き出されにくく、キャリア寿命を律速するものと予想される。そこで、価電子帯の井戸層の中で、最もエネルギーの高い箇所（ｎ型半導体層側の端）と最もエネルギーの低い箇所（ｐ型半導体層側の端）との差をバンド図から読み取った。このエネルギー差が小さいほど正孔が井戸層から掃き出されやすいことになる。すると、第１井戸層が０．３０ｅＶに対して第２井戸層が０．４８ｅＶであった。したがって、第１井戸層ではキャリアが掃き出されやすいため、キャリア寿命が短くなると考えられる。次に、光吸収確率を知るために、図４の井戸層厚と波動関数の重なりのグラフを読み取ると、３．０ｎｍの第１井戸層の波動関数の重なりは０．７４５で、７．５ｎｍの第２井戸層の０．０２９に対して２５倍大きいことが分かった。したがって、第１井戸層は第２井戸層に比べて極めて光吸収確率が高いといえる。光の閉じ込め係数を計算すると、第１井戸層が０．００９で第２井戸層が０．０２１と第１井戸層の方が５７％小さいものの、波動関数の重なりの差が極めて大きいので可飽和吸収領域では第１井戸層で優先的に光吸収が起こる。そして、第１井戸層ではキャリア寿命も短いので、自励発振が起こりやすくなる。
【０１３１】
一方、利得領域ではｐ型半導体層側の第２井戸層に優先的に正孔が注入されるので、レーザ発振に寄与する利得は主に第２井戸層で得られる。
【０１３２】
したがって、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザの特性は第２井戸層が支配するが、第２井戸層の層厚が７．５ｎｍであるので、信頼性は損なわれない。また、第２井戸層を第１井戸層と同じ３．０ｎｍにすると、その光閉じ込め係数は０．００８となるが、実際にはその厚みは７．５ｎｍであるので、上述の通り、その２倍以上の０．０２１の光閉じ込め係数を得ることができ、閾値電流を悪化させることもない。
【０１３３】
その結果、本実施例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電圧を印加することなく自励発振特性が得られるとともに、閾値電流、信頼性などの通常の半導体レーザとしての特性も実用上問題のないものであった。
【０１３４】
したがって、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。その上、閾値電流や信頼性といった通常の半導体レーザ特性も自励発振特性と両立して優れたものとなっている。
【０１３５】
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窒化物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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
＜実施例２＞
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、活性層の構造のみが実施例１の窒化物半導体レーザ素子と異なっている。本実施例の窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造は図９に示すとおりで、井戸層の数が３の多重量子井戸構造である。実施例１の窒化物半導体レーザと比較すると、第２井戸層３４の上に８ｎｍの厚みを有するＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第３障壁層３６と、その上に７．５ｎｍの厚みを有するＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる第３井戸層３７があって、最も上層に１５ｎｍの厚みを有する最終障壁層３５（Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層）が形成されている点が異なる。
【０１３８】
実施例１では、最上の井戸層（ｐ型半導体層に最も近くなる側に位置する第２井戸層）に優先的に正孔が注入されると述べたが、その下側の井戸層にも少ないながら正孔は注入される。したがって、本実施例では第３井戸層に加えて第２井戸層にも正孔が注入されて、ある程度の利得は得られる。特に第２井戸層と第３井戸層の層厚が同じであると両者の利得スペクトルが一致する（井戸層の層厚が異なると状態密度が異なるので利得が分散してしまう）ので、より効率よくレーザ発振に寄与する利得を得ることができ、閾値電流を低くできる。また、このような構成とすることで、光閉じ込め係数を高めることもできる（全井戸層合計の光閉じ込め係数が、実施例１では０．０３０であるのに対して、本実施例では０．０６１となる）。以上により、本実施例の窒化物半導体レーザ素子では、実施例１の窒化物半導体レーザ素子よりも閾値電流を低くすることが可能となる。
【０１３９】
そして、自励発振特性に関しては実施例１と同様に、第１井戸層が可飽和吸収領域において優先的に光吸収し、そこでのキャリア寿命が短いので自励発振しやすいという効果を示す。
【０１４０】
上記で説明した本発明の窒化物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。たとえば、井戸層の数や層厚、障壁層の材料およびその組成や層厚などを適宜変更することができる。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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】
【０１４３】
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  第１井戸層、３３  第２障壁層、３４  第２井戸層、３５  最終障壁層、３６  第３障壁層、３７  第３井戸層、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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