(57)【要約】半導体レーザ素子において、レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎｓの基板（１０１）の上に順次形成された屈折率ｎｃ１，の第１クラッド層（１０３）、屈折率ｎｃ２の第２クラッド層（１０４）、屈折率ｎｃ３の第３クラッド層（１０５）、屈折率ｎｇの第１導電型ガイド層（１０６）、量子井戸活性層（１０７）、第２導電型ガイド層（１０９）、第２導電型クラッド層（１１０）、および第２導電型コンタクト層（１１１）を含む積層体中に導波路が構成され、その導波路の実効屈折率がｎｅであって、ｎｃ２＜（ｎｃ１，ｎｃ３）＜ｎｅ＜（ｎｓ，ｎｇ）の関係を満たすことを特徴としている。
2003085790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎｓの基板（１０１）の上に順次形成された屈折率ｎｃ１、の第１クラッド層（１０３）、屈折率ｎｃ２の第２クラッド層（１０４）、屈折率ｎｃ３の第３クラッド層（１０５）、屈折率ｎｇの第１導電型ガイド層（１０６）、量子井戸活性層（１０７）、第２導電型ガイド層（１０９）、第２導電型クラッド層（１１０）、および第２導電型コンタクト層（１１１）を含む積層体（１０２−１１１）中に導波路が構成され、
前記導波路の実効屈折率がｎｅであって、ｎｃ２＜（ｎｃ１，ｎｃ３）＜ｎｅ＜（ｎｓ，ｎｇ）の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１クラッド層（１０３）の厚さがｄｃ１、前記第２クラッド層（１０４）の厚さがｄｃ２、そして前記第３クラッド層（１０５）の厚さがｄｃ３であって、ｄｃ２，ｄｃ３＜ｄｃ１および１．４μｍ≦ｄｃ１＋ｄｃ２＋ｄｃ３の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２クラッド層（１０４）はＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されており、前記量子井戸活性層（１０７）はＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板（１０１）および前記積層体（１０２−１１１）が窒化物半導体からなり、前記第１ラッド層（１０３）、前記第２クラッド層（１０４）、および前記第３クラッド層（１０５）のいずれもがＡｌを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第１クラッド層（１０３）の厚さがｄｃ１、前記第２クラッド層（１０４）の厚さがｄｃ２、前記第３クラッド層（１０５）の厚さがｄｃ３であり、ｄｃ２，ｄｃ３＜ｄｃ１および１．４μｍ≦ｄｃ１＋ｄｃ２＋ｄｃ３≦４．５μｍの条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２クラッド層（１０３）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘｃ２が０．０６≦ｘｃ２≦０．３である窒化物半導体からなり、前記第２クラッド層（１０４）の厚さｄｃ２が０．０５μｍ≦ｄｃ２≦０．３５μｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１クラッド層（１０３）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘｃ１がｘｃ１≦０．０７で、かつ前記第３クラッド層（１０５）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘｃ３がｘｃ３≦０．０７であることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
レーザ光を出射する端面において前記第１クラッド層（１０３）より下方の光放射領域（８１０；８２０）に光吸収体と光反射膜（８００）のいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の面積の３５％以上の領域に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の内で前記導波路の下方に該当する面積（８２０）の６５％以上の部分に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記光反射膜（８００）の光透過率が５０％以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎｓの基板（７０１）の上に順次形成された第１導電型クラッド層（７０３；７０５）、屈折率ｎｇの第１導電型ガイド層（７０６）、量子井戸活性層（７０７）、第２導電型ガイド層（７０９）、第２導電型クラッド層（７１０）、第２導電型コンタクト層（７１１）を含む積層体（７０２；７０３；７０５−７０１１）中に導波路が構成された窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記導波路の実効屈折率がｎｅであってｎｅ＜ｎｓ，ｎｇの条件を満たし、前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）は厚さ方向に順次第１、第２、および第３の領域を含み、前記第２領域は前記第１領域および前記第３領域に比べて大きなＡｌ組成比を有し、前記第１領域、前記第２領域、および前記第３領域のいずれもがｎｅより小さな屈折率を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第１領域、前記第２領域、および前記第３領域を含む総厚ｄｔが１．４μｍ≦ｄｔ≦３．５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第２領域中において最も高いＡｌ組成比ｘｍａｘが０．０６≦ｘｍａｘ≦０．３５の範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第２領域中において最も高いＡｌ組成比ｘｍａｘを有する部分は前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）の中で基板側から前記活性層に向かう方向において２ｄｔ／３より大きな距離の位置に存在することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１６】
レーザ光を出射する端面において前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）よりも下方の光放射領域（８１０；８２０）に光吸収膜と光反射膜（８００）のいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の面積の３５％以上の領域に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の内で前記導波路の下方に該当する面積（８２０）の６５％以上の部分に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記光反射膜（８００）の光透過率が５０％以下であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光導波路の導波モードを解析する際に考慮される導波路の実効屈折率より大きな屈折率を有する基板を含む半導体レーザ素子に関する。より具体的には、本発明は、たとえばＧａＮ基板上に形成された複数の窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）層を含む半導体レーザ素子において、垂直横モードの安定性の改善とそれら半導体層に含まれるクラッド層におけるクラック発生の防止に関する。
なお、導波路の実効屈折率の定義に関しては、１９７８年にＡＣＡＤＥＭＩＣＰＲＥＳＳから発行されたＣａｓｅｙとＰａｎｉｓｈによるテキストブックＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＬＡＳＥＲＳ第４２−４９頁（特に第４９頁）を参照すべきである。
背景技術
近年、窒化物半導体からなる青色発光ダイオードが実用化され、さらに青色レーザダイオードの実用も可能になっている。
図１５において、従来技術によってＧａＮ基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子が、模式的な正面図で示されている。このレーザ素子は、ＧａＮ基板８０１上に順次積層された厚さ４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層８０２、ｎ型Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラック防止層８０３、厚さ１．２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４（複数のＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層とＧａＮ層とを含む超格子構造を有し、平均でＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎの混晶組成を有する）、厚さ０．０７５μｍのｎ型ＧａＮガイド層８０５、量子井戸活性層８０６（Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ井戸層とＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ障壁層の３対を含む）、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ電子閉じ込め層８０７、厚さ０．０７５μｍのｐ型ＧａＮガイド層８０８、厚さ０．５μｍのＡｌＧａＮクラッド層８０９（複数のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とＧａＮ層との超格子構造を有し、平均でＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎの混晶組成を有する）、および厚さ１５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８１０を含んでいる。
図１６は、図１５のレーザ素子からの光放射のＦＦＰ（ファーフィールドパターン）において、活性層に垂直な方向の放射パターン（以下、垂直方向放射パターンと称す）を示すグラフである。すなわち、このグラフの横軸は活性層に平行な方向から垂直な方向への偏角（度）を表わし、縦軸は光強度（ａ．ｕ．：任意単位）を表わしている。図１５のレーザ素子のように導波路の実効屈折率に比べて基板材料の屈折率が大きい場合には、活性層に垂直な方向の横モード（垂直横モード）において、基板にまで達したレーザ光が基板を通して放射される。したがって、図１６に示されているように、ＦＦＰにおいては基本モードの出射方向（活性層に平行な方向）から基板側（下側）に十数度ずれた方向にノイズピークが生じる。このようなノイズピークを生じるレーザ素子は、光ディスクなどへの応用において問題を生じる。また、そのようなノイズピークは導波路の放射損失であるので、レーザ素子のしきい値電流が上昇するとともに、発振時の微分量子効率が低下するという問題を生じる。
他方、図１５のレーザ素子におけるように、ＧａＮ基板８０１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４との間に厚い（４μｍ）ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎコンタクト層８０２を形成した場合には、ＧａＮ基板８０１への放射モード（漏れモード）は抑制される傾向にはなる。しかし、その場合にはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４が０．８μｍ程度の比較的大きな厚さに形成されなければならず、その結晶中のクラックを完全に抑制することが困難になる。その結果、リーク電流の発生、しきい値電流の上昇、さらには信頼性の低下などが生じて、レーザ素子の作製歩留りが低下する。
そこで、本発明は、ＧａＮ基板上に半導体レーザ構造が形成されている場合のように、導波路の実効屈折率に比べて大きい屈折率を有する基板を含む半導体レーザ素子において、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークを抑制することを主要な目的としている。本発明はまた、特に窒化物系半導体レーザ素子において、比較的大きなＡｌ組成比を有するｎ型クラッド層におけるクラック発生によるレーザ素子の作製歩留りの低下を防止するとともに、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークを抑制することをも目的としている。
発明の開示
本発明による半導体レーザ素子においては、レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎｓの基板の上に順次形成された屈折率ｎｃ１の第１クラッド層、屈折率ｎｃ２の第２クラッド層、屈折率ｎｃ３の第３クラッド層、屈折率ｎｇの第１導電型ガイド層、量子井戸活性層、第２導電型ガイド層、第２導電型クラッド層、および第２導電型コンタクト層を含む積層体中に導波路が構成され、その導波路の実効屈折率がｎｅであって、ｎｃ２＜（ｎｃ１，ｎｃ３）＜ｎｅ＜（ｎｓ，ｎｇ）の関係を満たすことを特徴としている。
すなわち、本発明においては、導波路領域内の実効屈折率ｎｅに比べて高い屈折率ｎｓを有する基板を用いる場合に、その基板と活性層との間に設けられるクラッド層を少なくとも３層に分けて、これら３層のクラッド層の内で最も屈折率が小さいクラッド層が他のクラッド層の間に配置されることによって、基板内への光放射が抑制される。特に、ＧａＮ基板やＡｌＧａＮ基板などの窒化物系半導体基板を用いた窒化ガリウム系半導体レーザ素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体からなるクラッド層におけるクラック防止と基板への放射モード（漏れモード）の抑制とを両立させることが本発明によって可能になり、レーザ素子の作製歩留りを飛躍的に向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、導波路の実効屈折率に比べて大きな屈折率を有する透光性基板を含む半導体レーザ素子であれば、どのような材料を利用した素子であっても適用され得る。より具体的には、ＧａＮもしくはＡｌＧａＮの基板を含む窒化物半導体レーザ素子、またはＧａＡｓ基板を含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子に本発明を適用することは、信頼性確保の観点から好ましい。
図１において、本発明の好ましい一適用例として、窒化物半導体基板１０１と活性層１０７との間で基板側から順にＡｌｘｃ１Ｇａ１−ｘｃ１Ｎ第１クラッド層１０３、Ａｌｘｃ２Ｇａ１−ｘｃ２Ｎ第２クラッド層１０４、Ａｌｘｃ３Ｇａ１−ｘｃ３Ｎ第３クラッド層１０５、および第１導電型ガイド層１０６を含む窒化物系半導体レーザ素子が示されている。なお、これらの半導体層の少なくとも１層におけるＮ元素の一部がＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂで置換されてもよいが、その場合にはＶ族元素中におけるＮ元素の組成比が０．９以上であることが、その層内で組成の均一性を実現しかつ良好な結晶性を得るために望ましい。また、第１から第３のクラッド層において、Ｉｎが組成比０．０１〜０．０５の範囲内で添加されてもよい。その場合には、より低温でそれらクラッド層の結晶成長が可能となり、成長した結晶が柔軟になってクラックがより低減される効果が得られる。
基板１０１は窒化物半導体で形成され得るが、最も好ましくはＧａＮで形成される。一般に、ＧａＮ基板は他の窒化物半導体基板に比べて結晶の質が高く、信頼性の高い半導体レーザ素子を得るために好ましい。特に、ＧａＮ基板をｎ型導電性にした場合には基板の裏面に電極を形成することができ、このことは半導体レーザチップを小型化し得るので好ましい。ＧａＮ以外にＡｌＧａＮも基板材料として用いられ得るが、その場合には基板の割れ防止の観点から、ＩＩＩ属元素中のＡｌの組成比は０．０２以下であることが望ましい。
窒化物半導体のみからなる基板以外に、本発明においては、異種基板とその上の窒化物半導体層とを含む擬似窒化物半導体基板も用いられ得る。そのような擬似窒化物半導体基板において、ＳｉＯ２等の局所的な結晶成長抑制膜を用いて窒化物半導体層の横方向成長を利用することによって転位密度を低減させるＥＬＯＧ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒ  ｇｒｏｗｔｈ）法が用いられれば、異種基板上の窒化物半導体層内にＳｉＯ２等の局所的膜が含まれることもある。なお、擬似窒化物半導体基板を含むレーザ素子に関しては、擬似基板に含まれる窒化物半導体層が導波路の実効屈折率ｎｅに比べて高い屈折率を有しかつ１０μｍ以上の厚さを有する場合に上述の垂直方向放射パターンにおけるノイズピーク（図１６参照）が顕著になるので、本発明の適用が望ましくなる。
図１に示されているように、第１クラッド層１０３と基板１０１との間には、下地層１０２が挿入されてもよい。下地層１０２は、ｎ型ＧａＮで形成することができる。ｎ型ＧａＮの下地層１０２は、ＧａＮ基板１０１表面の凹凸や傷による悪影響を軽減し、クラッド層１０３中の結晶欠陥の低減を可能ならしめるので好ましい。下地層１０２は、ｎ型ＡｌＧａＮで形成することも可能である。ただし、基板１０１の表面の凹凸や傷の影響を緩和するためには、下地層１０２におけるＡｌの組成比はＩＩＩ族元素中で０．０２以下であることが望ましい。
第１クラッド層１０３は、導波路の実効屈折率ｎｅより低い屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型Ａｌｘｃ１Ｇａ１−ｘｃ１Ｎで形成され得る。ここで、Ａｌの組成比ｘｃ１、は、その層の屈折率がｎｅよりも低くなるように選択される。すなわち、ｎｅと同じ屈折率を有するＡｌＧａＮ材料のＡｌ混晶比をｘｎｅで表わせば、ｘｎｅ＜ｘｃ１にする必要がある。他方、ｘｃ１≦０．０７にすることは、第１クラッド層１０３の結晶中で微小なクラックの発生を抑制する観点から好ましい。さらに好ましくは、ｘｃ１≦０．０５にすれば、基板１０１内へのレーザ光の放射を抑制しつつＦＦＰの垂直方向広がり角を２６°以下に小さくすることが可能になり、半導体レーザ素子を光学系と結合させる際の光結合係数を高くすることができる。
第２クラッド層１０４は、第１クラッド層１０３よりも低い屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型Ａｌｘｃ２Ｇａ１−ｘｃ２Ｎで形成され得る。ここで、Ａｌの組成比は、ｘｎｅ＜ｘｃ１＜ｘｃ２の関係を満たすように選択され、０．０６≦ｘｃ２≦０．３の範囲が好ましい。すなわち、Ａｌの組成比ｘｃ２が０．０６より小さい場合は、活性層１０７への光閉じ込め量が減少して、しきい値電流の上昇を招く。他方、ｘｃ２が０．３よりも大きい場合は、第２クラッド層１０４内にクラックが生じて、信頼性の高いレーザ素子を実現できない。
第３クラッド層１０５は、導波路の実効屈折率ｎｅよりも低い屈折率を有しかつ第２クラッド層１０４よりも高い屈折率を有する窒化物半導体で形成されることによって、第３クラッド層１０５がない場合に比較して導波路の実効屈折率ｎｅを高くする効果を発揮し得る。具体的には、第３クラッド層１０５はｎ型Ａｌｘｃ３Ｇａ１−ｘｃ３Ｎで形成され得て、Ａｌの組成比はｘｎｅ＜ｘｃ３＜ｘｃ２の関係を満たすように選択される。他方、ｘｃ１≦０．０７にすることは、第３クラッド層１０５の結晶中で微小なクラックの発生を抑制する観点から好ましい。
第１、第２、および第３のクラッド層１０３、１０４、１０５の厚さをそれぞれｄｃ１、ｄｃ２、ｄｃ３とした場合に、ｄｃ２＜ｄｃ１かつｄｃ３＜ｄｃ１に設定することによって、基板１０１内への漏れモードを効果的に防止し得るとともに、最もＡｌ組成比の高い第２クラッド層の厚さｄｃ２が薄くなってクラックの発生が抑制され得る。第２クラッド層１０４の好ましい厚さ範囲は、０．０５μｍ≦ｄｃ２≦０．３５μｍである。０．０５μｍ＞ｄｃ２の場合には、第２クラッド層１０４としての光閉じ込め効果がなくなり、しきい値電流が上昇する。他方、ｄｃ２＞０．３５μｍの場合には、ＦＦＰにおける垂直方向の半値全角が２６°より大きくなり、レーザ素子とレンズとの光結合効率が低下する。ｄｃ２＞０．３５μｍの場合にはさらに、３層のクラッド層において結晶の割れが生じ易くなり、レーザ素子の作製歩留りが低下する。
３層のクラッド層１０３、１０４、１０５のトータル厚さｄｔ＝ｄｃ１＋ｄｃ２＋ｄｃ３は、４．５μｍ以下であることが望ましい。トータル厚さｄｔが４．５μｍを越える場合は、基板上の全ての半導体層の結晶成長終了時点でのクラックは抑制されたとしても、その後のｐ型不純物活性化工程や電極のアロイング工程における熱処理によって結晶の割れが発生する。他方、トータル厚さｄｔが１．４μｍよりも薄い場合には、基板１０１内への漏れモードを抑制する効果が小さくなってレーザ損失が発生する。
第１、第２、第３のクラッド層１０３、１０４、１０５の導電型は限定されないが、これらの少なくとも１つの層における導電型がｐ型または絶縁性である場合には、そのｐ型または絶縁性のクラッド層よりも活性層１０７に近い側に存在するｎ型層の表面にｎ型電極を形成しなければならない。他方、少なくとも１つのクラッド層がアンドープ層である場合には、自由キャリア吸収に起因するレーザ吸収損失が低減され得る。また、３つのクラッド層１０３、１０４、１０５のすべてをｎ型半導体で形成する場合には、基板１０１上にｎ型電極を形成することができ、ｎ型電極の接触抵抗の低減や電極形成プロセスの簡略化が可能になる。さらに、３つのクラッド層の導電型をｎ型にするとともに基板１０１をｎ型導電性にすることにより、ｎ型電極を基板１０１の裏面に形成することができ、レーザチップサイズの縮小やチップの実装工程の簡略化が可能になる。
３つのクラッド層１０３、１０４、１０５は必ずしも互いに接触している必要はなく、第１クラッド層１０３と第２クラッド層１０４の間、または第２クラッド層１０４と第３クラッド層１０５との間に、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮなどの薄層が挿入されてもよい。ただし、そような薄層を挿入する場合には、その薄層の厚さ（すなわち、第１クラッド層と第２クラッド層との離間距離または第２クラッド層と第３クラッド層との離間距離に相当）が導波路内部におけるレーザ光の波長の１／４以下にされることが望ましく、窒化物半導体による青紫色レーザの場合には０．０４μｍ以下にされることが望ましい。
また、第１クラッド層１０３と窒化物半導体基板１０１または下地層１０２との間には、ＩｎＧａＮからなる歪み緩和層（図示せず）が挿入されてもよい。この歪み緩和層の厚さは、０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下の範囲内で選択することができる。０．０２μｍより薄い場合には、歪み緩和効果が発現しない。他方、０．０６μｍより厚い場合には、歪み緩和層中にピットが発生しやすくなり、その上に結晶成長する複数の半導体層の結晶性が悪化する。また、歪み緩和層のＩｎ組成比は、０．０３以上０．１２以下が望ましい。Ｉｎ組成比が０．０３より小さい場合には、歪み緩和効果が発現しない。他方、Ｉｎ組成比が０．１２より大きい場合には、歪み緩和層中にピットが発生しやすくなり、その上に結晶成長する複数の半導体層の結晶性が悪化する。この歪み緩和層は、その上に積層する第１〜第３クラッド層における（ｄｃ１×ｘｃ１＋ｄｃ２×ｘｃ２＋ｄｃ３×ｘｃ３）が０．１５μｍを越える場合に顕著な歪み緩和効果を発揮するので、導入されることが望ましい。
さらに、第１、第２、および第３のクラッド層の少なくともいずれかは、多層構造を有していてもよい。多層構造の具体例としては、０．１μｍ厚さでＡｌ組成比が０．１のＡｌＧａＮ層の代わりに、２０ｎｍ厚さのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と２０ｎｍ厚さのＧａＮ層とが交互に２５回繰返された多層構造を採用することができる。多層構造中の各層のＡｌ組成比や厚さは適宜に選択され得るが、各層の厚さがｄｉでＡｌ組成比がｘｉであるとした場合に、平均Ａｌ組成比Σ（ｄｉ・ｘｉ）／Σ（ｄｉ）が上述のクラッド層に関する条件を満たすように設定されなければならない。
第１導電型ガイド層１０６は、導波路の実効屈折率ｎｅより大きい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで形成され得る。ガイド層１０６の厚さは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０３μｍよりも薄い場合と０．２μｍより厚い場合のいずれにおいても、活性層１０７内への光閉じ込め効果が小さくなり、レーザ素子のしきい値電流の上昇を招く。また、ｎ型ガイド層１０６としてＩｎＧａＮ材料を用いる場合には、Ｉｎの組成比が０．０１以上０．１以下の範囲で選択されることが望ましい。Ｉｎの組成比が０．１を越える場合には、活性層１０７への電子の注入効率が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
活性層１０７は、ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸構造を有するか、またはＩｎＧａＮからなる量子井戸層とＧａＮ、ＩｎＧａＮ、もしくはＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とを２対以上含む多重量子井戸構造を有し得る。特にＩｎＧａＮの障壁層を含む多重量子井戸構造を利用することにより、活性層１０７内への光閉じ込め量を大きくでき、レーザ素子のしきい値電流が低減され得る。また、多重量子井戸活性層１０７においては、量子井戸数を２〜５の間で選ぶことにより、レーザ素子のしきい値電流を低減し得る。さらに、多重量子井戸活性層１０７の全厚さが０．０４μｍ以上０．０８μｍ以下である場合に、レーザ素子のしきい値電流が低減され得る。さらに、活性層１０７の厚さが０．０４μｍ以上０．０６μｍ以下である場合に、垂直方向のレーザ放射角度を２４°以下に小さくすることが可能となる。活性層１０７には不純物としてＳｉ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅなどを添加してもよく、特にＳｉを１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲で添加することにより、レーザ素子の微分ゲインを最大にすることができて、低しきい値電流が実現され得る。
活性層１０７上の複数の半導体層は、活性層１０７内へ光を閉じ込める導波路構造と活性層１０７内にキャリアを閉じ込めるヘテロ構造とを同時に実現し得る積層を構成できればよい。たとえば、活性層１０７上に、ｐ型保護層１０８、ｐ型ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、およびｐ型コンタクト層１１１が順次積層され、少なくともｐ型クラッド層１１０とｐ型コンタクト層１１１にはリッジストライプ構造が形成される。
ｐ型保護層１０８は、活性層１０７に比べて伝導帯の障壁高さが０．３ｅＶ以上である窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇが添加されたｐ型ＡｌＧａＮで形成され得る。このｐ型ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成比は、０．１以上０．４５以下であることが望ましい。Ａｌの組成比が０．１より小さい場合には、電子に対する障壁高さが低くなって、電子が効果的に活性層１０７に閉じ込められずにｐ型層にオーバーフローし、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。他方、Ａｌ組成比が０．４５を越える場合にも、添加したＭｇが活性化しにくくなって、電子に対する障壁高さが実効的に低下する。より望ましくは、０．３以上０．４５以下のＡｌ組成比を選択することにより、高温（７０℃以上）におけるレーザ素子の信頼性を確保することが可能となる。ｐ型保護層１０８の厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。５ｎｍより薄ければ、層の均一性が失われて、一部においては活性層１０７からｐ型層へ電子がオーバーフローする原因となる。他方、３０ｎｍより厚ければ、保護層１０８が活性層１０７に与える結晶歪みの影響が大きくなり、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
第２導電型ガイド層１０９はｎｅよりも大きい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇが添加されたｐ型のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮで形成され得る。ｐ型ガイド層１０９の厚さは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０３μｍよりも薄い場合と０．２μｍより厚い場合のいずれにおいても、活性層１０７内への光閉じ込め効果が小さくなり、レーザ素子のしきい値電流の上昇を招く。また、第２導電型ガイド層１０９としてＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＮを用いる場合には、Ｉｎの組成比は０．０１以上０．１以下の範囲で選択されることが望ましい。Ｉｎの組成比が０．１を越える場合には、活性層１０７内への電子の注入効率が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
第２導電型クラッド層１１０は、ｎｅよりも小さい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇを添加したｐ型ＡｌＧａＮで形成され得る。そのＡｌ組成比は、０．０６以上０．２以下であることが望ましい。０．０６より小さい場合は、活性層１０７への光閉じ込め効果が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。Ａｌ組成比が０．２を越える場合には、Ｍｇ添加によるｐ型の導電率が低下して、レーザ素子の寿命が短くなる。ｐ型クラッド層１０９の厚さは、０．２５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。０．２５μｍより薄い場合は、大部分のレーザ光がｐ型電極１１２に吸収されて、導波路損失が大きくなる。また、１．５μｍより厚い場合には、クラッド層の抵抗が大きくなって、レーザ素子の寿命が短くなる。より望ましくは、０．３５μｍ以上０．７μｍ以下の厚さを選択することにより、クラックの発生が抑制され、かつリッジストライプの幅を１〜２μｍに細く形成することが可能となる。
第２導電型コンタクト層１１１は、第２導電型電極１１２とオーミック接触を形成し得る窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇを添加したｐ型ＧａＮで形成され得る。また、コンタクト層１１１はＩｎを０．０１〜０．１５の組成比範囲内で添加した材料でも形成可能である。この場合は、ＧａＮを採用した場合に比べてホール濃度を増加させることが可能となり、第２導電型電極１１２における接触抵抗を低減し得る。第２導電型コンタクト層１１１の厚さは、０．０６μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０６μｍより薄くなれば、コンタクト層として第２導電型電極１１２と低抵抗の接触を形成することが不可能となる。また、第２導電型コンタクト層１１１の屈折率がｎｅよりも大きいので、その厚さが０．２μｍより大きくなれば、活性層１０７をコアとする導波路とは別にコンタクト層１１１をコアとする副次的導波路が形成され、この副次的導波路にレーザ光が結合して出力損失を発生させる。
窒化物半導体基板１０１上に半導体積層構造を形成する前に、その基板面がエッチングされてもよい。窒化物半導体基板の作製の方法などによっては、基板の表面が微細な凹凸を含んでいる場合があるので、その表面を一旦エッチングで平坦にしてから下地層１０２や第１クラッド層１０３を形成することにより、半導体積層構造の結晶性が改善され得る。
本発明において、窒化物半導体層の結晶成長には、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）などのように、窒化物半導体層を成長させ得るいずれの方法をも利用することができる。
（実施例１）
実施例１として、図１の窒化物半導体レーザ素子を製造する工程が説明される。まず、１１２５℃のｎ型ＧａＮ基板１０１上において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニア、および不純物としてのシラン（ＳｉＨ４）を用いて、ｎ型ＧａＮ下地層１０２が３μｍの厚さに成長させられる。
次に、同じ基板温度において、キャリヤガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３にドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型第１クラッド層１０３が１．８μｍの厚さに成長させられる。同様にして、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３にドープされたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型第２クラッド層１０４が０．２μｍの厚さに成長させられる。さらに、同様にして、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３にドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型第３クラッド層１０５が０．１μｍの厚さに成長させられる。
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度８×１０１７ｃｍ−３にドープされたＧａＮからなるｎ型ガイド層１０６が０．０８μｍの厚さに成長させられる。
次に、基板温度を７６０℃に下げて、キャリアガスとしての窒素またはアルゴン、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度２×１０１８ｃｍ−３にドープされたＧａＮからなる障壁層が１２ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランガスを止めてＴＭＧを追加して、アンドープのＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎからなる井戸層が４ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層を３回繰返して形成した後に最後の障壁層を積層し、総厚６０ｎｍで多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する活性層１０７が形成される。
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇが濃度１×１０１９ｃｍ−３で添加されたＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎからなるｐ型保護層１０８が２０ｎｍの厚さに成長させられる。
次に、基板温度が１０３５℃に上げられ、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０１９ｃｍ−３で添加されたＧａＮからなるｐ型ガイド層１０９が０．０８μｍの厚さに成長させられる。
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての窒素と、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニアを用いて、アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９ＮからなるＡ層を２．５ｎｍの厚さに成長させ、続いて、ＴＭＡを止めて不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度３×１０１９ｃｍ−３でドープされたＧａＮからなるＢ層を２．５ｎｍの厚さに成長させる。このようにしてＡ層とＢ層とを交互に１００回繰返してに積層し、総厚０．５μｍの多層膜（超格子構造）を含むｐ型クラッド層１１０が形成される。
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度１．５×１０２０ｃｍ−３でドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１が６０ｎｍの厚さに成長させられる。
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハが室温付近まで冷却されて反応容器から取り出され、ｐ型コンタクト層１１１上にパラジウム／モリブデン／金からなるｐ型電極層１１２が形成される。次に、ｐ型電極層１１２上にストライプ状のレジストマスク（図示せず）を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってリッジストライプ１１４を形成する。すなわち、Ａｒガスによってｐ型電極１１２をエッチングし、さらにＡｒとＣｌ２とＳｉＣｌ４の混合ガスによってｐ型コンタクト層１１１とｐ型クラッド層１１０の途中までエッチング、またはｐ型ガイド層１０９の途中までエッチングする。そして、底辺における１．６μｍの幅とｐ型電極１１２の上面における１．３μｍの幅を有するリッジストライプ１１４が形成される。
さらに、リッジストライプ１１４上のレジストを残したままで、ウエハの上面を覆うように、絶縁膜１１５（ここでは、主としてＺｒＯ２からなるＺｒ酸化物）が厚さ０．５μｍに形成される。その後、レジストを除去することにより、リッジストライプ１１４の上辺が露出させられる。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０１の厚さが１１０μｍになるまで、その裏面が研削されて研磨される。その後、基板裏面上にｎ型電極１１３を形成し、その電極の合金化処理が５３０℃で約２分間行われる。そして、ｐ型電極１１２と少なくともその両側近傍の絶縁膜１１５を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極１１６が形成される。そして、破線スクライブ法によってウエハの劈開面で共振器端面を形成した後、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内にあることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極１１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しきい値電流が２．５ｋＡｃｍ−２で、しきい値電圧が４．３Ｖであり、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。また、７０℃で３万時間以上の寿命を示すレーザ素子が８３％の歩留りで得られた。
図２は、本実施例１によるレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの光強度分布を示している。図２においては図１６に示されているような従来の漏れモードによるノイズピークが大幅に低減され、レーザ素子の光ディスク装置などへの応用においても問題を生じない程度に抑制されている。なお、本実施例１では、複数の半導体層中のクラック発生も観測されなかった。また、本実施例１では、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅角を２２．５°に小さくすることができ（図２参照）、同じＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅角１０．５°に対する比率が小さな２．１になる。すなわち、実施例１のレーザ素子では、レーザ光をレンズで集光する際の光の利用効率の向上を図ることができる。
（実施例２）
図３において、実施例２によるレーザ素子が模式的な正面図で示されている。図３と図１の比較からわかるように、実施例２のレーザ素子は、ｎ型下地層１０２とｎ型第１クラッド層１０３との間に歪み緩和層１２０が挿入されていることのみにおいて実施例１と異なっている。歪み緩和層１２０は、たとえばｎ型Ｉｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎで形成され得る。
すなわち、８００℃の基板温度において、キャリアガスとしての９５％窒素と５％水素の混合ガス、原料ガスとしてのＴＭＧ、ＴＭＩ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度５×１０１８ｃｍ−３でドープされた厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ歪み緩和層１２０が形成され得る。
本実施例２で得られたレーザ素子においては、実施例１と同様の特性を示す素子の作製歩留りが９４％に上昇した。
（実施例３）
実施例３によるレーザ素子は、図１中の誘電体層１１５が高抵抗またはｎ型のＡｌＧａＮ層で置き換えられることのみにおいて実施例１と異なっている。そのような実施例３のレーザ素子においても、実施例１の場合とほぼ同様の効果が得られる。このＡｌＧａＮ層の作製方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などの結晶成長方法を適用することができる。また、スパッタ法でそのＡｌＧａＮ層を形成する場合には、基板温度は結晶成長の場合に比較して低温の７００℃以下に設定され得るので、活性層１０７の熱劣化を防止する観点から好ましい。
また、そのＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、高出力まで安定した横モードを実現するために、ｐ型クラッド層１１０に比べて高くすることが望ましい。さらに、そのＡｌＧａＮ層のＡｌとｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比を同一にし、かつリッジストライプ１１４を形成するためのエッチングをｐ型ガイド層１０９に達するまで行う場合には、高出力まで安定した横モードを実現できるとともに、そのＡｌＧａＮ層の割れの発生に伴うリーク電流を効果的に防止し得る。
（実施例４）
実施例４によるレーザ素子は、第１クラッド層１０３に関する条件がｘｃ１＝０．０３８とｄｃ１＝３．３μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。図４は、本実施例４のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。この図４からわかるように、実施例４においては、ＦＦＰの垂直方向放射パターンにおけるノイズピークがほぼ完全に防止されており（図１６をも参照）、かつその垂直方向放射パターンの半値全角も小さな２２°であり、応用上最も望ましいレーザ素子が得られる。
（実施例５）
実施例５によるレーザ素子は、第２クラッド層１０４に関する条件がｘｃ２＝０．０７とｄｃ２＝０．３５μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。図５は、本実施例５のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。この図５からわかるように、本実施例５においても、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークが顕著にに防止されており、かつその垂直方向放射パターンの半値全角も小さな２３°であり、良好なレーザ素子が得られる。
（実施例６）
実施例６によるレーザ素子は、第３クラッド層１０５に関する条件がｘｃ３＝０．０５とｄｃ３＝０．０５μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。この実施例６においても、実施例５と同様の効果が得られる。
（実施例７）
実施例７のレーザ素子は、量子井戸活性層１０７が少し変更されたことのみにおいて実施例１の場合と異なっている。すなわち本実施例７における活性層の形成においては、ｎ型ガイド層１０６の形成後に基板温度が８００℃にされ、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＩ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度５×１０１７ｃｍ−３でドープされたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる障壁層が８ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランガスを止めて、アンドープのＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎからなる井戸層が３ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層の形成を５回繰返して積層し、その後に最後の障壁層を成長させることによって総厚６３ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む活性層１０７が形成される。本実施例７においても、実施例１の場合と同様の効果が得られる。
（実施例８）
図６は、実施例８によるＡｌＧａＡｓ系レーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子の作製においては、まず７２０℃のｎ型ＧａＡｓ基板６０１上で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのシランを用いて、ｎ型ＧａＡｓ下地層６０２が０．５μｍの厚さに成長させられる。
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのを用いて、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３でドープされたＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ａｓからなるｎ型第１クラッド層６０３が３．５μｍの厚さに成長させられる。同様にして、Ｓｉが濃度２×１０１８ｃｍ−３でドープされたＡｌ０．５Ｇａ０．８Ａｓからなるｎ型第２クラッド層６０４が０．１５μｍの厚さに成長させられ、Ｓｉが濃度１×１０１８ｃｍ−３でドープされたＡｌ０．０５Ｇａ０．９６Ａｓからなるｎ型第３クラッド層６０５が０．１μｍの厚さに成長させられる。続いて、ＴＭＡの供給を停止して、Ｓｉが濃度８×１０１７ｃｍ−３でドープされたＧａＡｓからなるｎ型ガイド層６０６が０．１２μｍの厚さに成長させられる。
次に、基板温度が６８０℃に下げられ、キャリアガスとしての水素および原料ガスとしてのＴＭＧとアルシンを用いて、アンドープのＧａＡｓからなる障壁層が２０ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、ＴＭＩを追加供給して、アンドープのＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓからなる井戸層が１１ｎｍの厚さに成長させられる。それらの障壁層と井戸層を２回繰返して積層した後に、最後の障壁層を成長させて総厚８２ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含むの活性層６０７が形成される。
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を用いて、Ｚｎが濃度１．３×１０１８ｃｍ−３で添加されたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなるｐ型保護層６０８が２０ｎｍの厚さに成長させられる。
次に、基板温度を７２０℃上げて、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いてＺｎが濃度７×１０１７ｃｍ−３で添加されたＧａＡｓからなるｐ型ガイド層６０９が０．１２μｍの厚さに成長させられる。次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いてＺｎが濃度１．６×１０１８ｃｍ−３で添加されたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなるｐ型クラッド層６１０が厚さ１．５μｍに成長させられる。
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いて、Ｚｎが濃度３×１０１８ｃｍ−３でドープされたＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層６１１が１．０μｍの厚さに成長させられる。
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハが室温付近まで冷却されて、反応容器から取り出される。得られたウエハ上には、ストライプ状のシリコン酸化膜（図示せず）をマスクとするＲＩＥによって、リッジストライプが形成される。すなわち、Ｃｌ２ガスを用いてｐ型コンタクト層６１１とｐ型クラッド層６１０の途中まで、またはｐ型ガイド層６０９の途中までエッチングし、底辺における４μｍのストライプ幅とｐ型電極４１２の上面における３μｍのストライプ幅を有するリッジストライプ６１４が形成される。
次に、シリコン酸化膜マスクを残したままウエハを再び結晶成長装置内にセットし、７２０℃の基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのシランを用いて、厚さ１．０μｍのｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層６１５が選択成長させられる。
ウエハを室温付近まで冷却した後、選択成長マスクとして用いたシリコン酸化膜を除去し、現れたリッジストライプ６１４頂部のｐ型コンタクト層６１１上に、亜鉛／金からなるｐ型電極６１２が形成される。
次に、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１が厚さ９０μｍになるまでその裏面が研削されて研磨され、その後にｎ型電極６１３がその基板裏面に形成される。そして、その電極のアロイングが、真空中で４５０℃にて３分間行なわれる。次に、ｐ型電極６１２と少なくともその両側近傍の電流狭窄層６１５を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極６１６が形成される。最後に、ウエハを劈開して共振器端面を形成した後に、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内にあることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極６１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しき電流が４５０Ａｃｍ−２で、しきい値電圧が１．７Ｖであり、発振波長８９５ｎｍの連続発振が確認された。また、８５℃で２万時間以上の寿命を示す素子が８０％の歩留りで得られた。
図７は、本実施例８によるレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。図７からわかるように、実施例８においては、図１６に示されているような従来のノイズピークがほぼ完全に抑制されている。また、本実施例では、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅角を小さな２３°にすることができ、同じＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅角１０°に対する比率も小さな２．３になる。すなわち、実施例８のレーザ素子は、レンズで集光する際の光の利用効率の向上をも図ることができる。
（実施例９）
図８は、実施例９によるレーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子では、ｎ型クラッド層の厚さ方向において連続的に屈折率が変化させられている。このレーザ素子の作製においては、まず１１２５℃のｎ型ＧａＮ基板７０１上で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、ｎ型ＧａＮ下地層７０２が３μｍの厚さに成長させられる。
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３でドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型第１クラッド層７０３が２．５μｍの厚さに成長させられる。ここで、ｎ型第１クラッド層７０３のＡｌ組成比ｘは、下界面ではｘ＝０、上界面ではｘ＝０．１２に単調増加するように変化させられる。なお、本実施例９ではＡｌ組成比ｘが層厚に比例して増加するように線形に変形させられるが、層厚の２次関数となるようにｘを増加させてもよいし、階段状にｘを増加させてもよい。
次に、同じ基板温度と同種のガスを用いて、第２クラッド層が省略されて、Ｓｉが濃度３×１０１８ｃｍ−３で添加されたｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ第３クラッド層７０５が０．３μｍの厚さに成長させられる。ここで、ｎ型第３クラッド層７０５のＡｌ組成比ｙは、下界面（ｎ型第１クラッド層７０３との界面）のｙ＝０．１２から上界面のｙ＝０まで単調減少するように変化させられる。
図９のグラフは、本実施例９のｎ型クラッド層７０３と７０５における厚さ方向のＡｌ組成比の変化を示している。このグラフにおいて、横軸はｎ型クラッド層７０３の下面からの層厚（μｍ）を表わし、縦軸はＡｌ組成比を表わしている。なお、ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５のＡｌ組成比を連続的に変化させて極大値となる界面付近（ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５の界面付近）がｎ型第２クラッド層として機能するので、異なる層として第２クラッド層を形成する必要がない。このように、本実施例９では、基板７０１側から活性層７０７側に向かって、屈折率が高低高の少なくとも３つの領域が存在するようにｎ型クラッド層７０３、７０５を形成することが重要である。
さらに、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度８×１０１７ｃｍ−３でドープされたＧａＮからなるｎ型ガイド層７０６が０．１３μｍの厚さに成長させられる。
次に、基板温度を７８０℃に下げて、キャリアガスとしての窒素またはアルゴン、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度１×１０１９〜３×１０２０ｃｍ−３の範囲で添加されたＧａＮからなる障壁層が１０ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランをとめてＴＭＩを追加て、不純物無添加のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる井戸層が３ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層を３回繰返して積層した後に、最後の障壁層を成長させて総厚４９ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む活性層７０７が形成させられる。
次に、同じ基板温度で、シラン、ＴＭＧ、およびアンモニアを用いて、ｎ型ＧａＮバンド調整層７２０が７ｎｍの厚さに形成される。さらに、ＴＭＧとアンモニアを用いて、アンドープＧａＮ中間層７２１が７０ｎｍの厚さに形成される。次に、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０２０ｃｍ−３で添加されたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型保護層７０８が１２ｎｍの厚に成長させられる。
さらに、基板温度を１０３５℃に上げて、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０１９ｃｍ−３で添加されたＧａＮからなるｐ型ガイド層７０９が０．０８μｍの厚さに成長させられる。次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度９×１０１９ｃｍ−３でドープされたｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層７１０が厚さ０．５μｍに成長させられる。さらに、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度１．５×１０２０ｃｍ−３でドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層７１１が６０ｎｍの厚さに成長させられる。
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハは室温付近まで冷却され、反応容器から取り出される。そのウエハのｐ型コンタクト層７１１を覆うように、パラジウム／モリブデン／金からなるｐ型電極層７１２が形成される。次に、ｐ型電極７１２層上にレジストマスク（図示せず）を形成して、ＲＩＥを利用してリッジストライプが形成される。すなわち、Ａｒガスによってｐ型電極７１２エッチングし、さらにＡｒとＣｌ２とＳｉＣｌ４の混合ガスによってｐ型コンタクト層７１１とｐ型クラッド層７１０の途中まで、またはｐ型ガイド層７０９の途中までエッチングされる。そして、底辺において１．８μｍのストライプ幅を有し、かつｐ型電極７１２の上面において１．６μｍのストライプ幅を有するリッジストライプ７１４が形成される。
さらに、リッジストライプ７１４上のレジストを残したままで、ウエハの上面を覆うように絶縁膜７１５（ここでは、酸化珪素）を厚さ０．２μｍに形成した後に、レジストを除去することによってリッジストライプ７１４の上面が露出させられる。
次に、ｎ型ＧａＮ基板７０１の厚みが１３０μｍになるまでその裏面が研削されて研磨された後に、ハフニウムとアルミニウムを含む金属からなるｎ型電極層７１３が基板裏面に形成される。そして、この電極層には、４８０℃で約２分間の合金化処理が行われる。また、リッジストライプ７１４上のｐ型電極７１２とその両側近傍の絶縁膜７１５の少なくとも一部を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極７１６が形成される。最後に、破線スクライブ法によってウエハを劈開して共振器端面を形成した後に、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内であることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極１１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しきい電流が２．１ｋＡｃｍ−２、しきい値電圧が４．２Ｖで、発振波長４００ｎｍの連続発振が確認された。また、８０℃で２万時間以上の寿命を示すレーザ素子が得られた。
本実施例９によるｎ型クラッド層７０３、７０５の膜厚方向におけるＡｌ組成比の変化プロファイルが図９に示されている。このようにｎ型クラッド層のＡｌ組成比を徐々に変化させることによって、実施例１に比較して、よりＡｌＧａＮ層中のクラックを防止することが可能となり、レーザ素子の歩留りを向上させることが可能になる。
本実施例９のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅は小さな１６°であり、また基板７０１内への放射光に起因するノイズピークが効果的に抑制され得る。さらに、実施例９のレーザ素子では、ＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅が１０．５°であり、楕円率が小さな１．５になり得る。すなわち、本実施例のレーザ素子を用いることによって、光ディスク用ピックアップにおいて、ビーム整形プリズムの省略による小型化やコストダウンにの効果が得られる。
なお、本実施例９では、図９に示されているようにＡｌ組成比のｘやｙが層厚に従って線形に変化させられているが、Ａｌ組成比の変化のプロファイルは２次関数や階段状でもよく、たとえば図１０、図１１、および図１２に例示されているような組成比分布によっても本発明の効果が期待され得る。
本実施例９のように、導波路の実効屈折率よりも高い屈折率を有する透明基板と活性層との間で、Ａｌ組成比を連続的または階段状に変化させることによってＡｌＧａＮクラッド層のクラックを抑制するためには、活性層７０７と基板７０１の間のクラッド層のトータル厚みｄｔが１．４μｍ≦ｄｔ≦４．５μｍの範囲内にあることが重要である。なお、この場合にクラッド層として機能する厚さ部分ｄｔは、導波路の実効屈折率よりも低い屈折率を有する部分のみであることに留意すべきである。たとえば、図９の場合には、Ａｌ混晶比が０．０４を超える領域がクラッド層として機能する部分であり、その厚さｄｔは１．８μｍとなる。
また、活性層７０７と基板７０１との間に位置するクラッド層の中で最も屈折率の低い（Ａｌ組成比の高い）部分のＡｌ組成比ｘｍａｘを０．０６≦ｘｍａｘ≦０．３５範囲内にすることにより、クラッド層のクラックを抑制しつつ基板７０１内への放射モードを効果的に抑制することができる。さらに、クラッド層中においてｘｍａｘとなる部分の中心位置が、クラッド層の下面から厚み方向に２ｄｔ／３よりも上側になるように調整することにより、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅を２１°よりも小さくすることが可能となる。
さらに、本実施例９のように屈折率を連続的に変化させることによって３層のクラッド層と同様の機能を実現する場合においても、ｎ型第１クラッド層７０３やｎ型第３クラッド層７０５の一部またはこれらの２層の界面に、導波路内におけるレーザ波長の１／４以下の厚さ（本実施例の場合は０．０４μｍ以下の厚さ）を有しかつその上下に接するクラッド層とは異なる屈折率を有する薄層を挿入することができる。具体的には、ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５との界面に０．００５μｍから０．０４μｍの範囲内の厚さのＧａＮクラック抑制層を挿入したり、ｎ型第１クラッド層７０３中に０．０１μｍから０．０４μｍの範囲内の厚さのＧａＮバッファ層を挿入してもよい。
また、本実施例９では、傾斜接合を実現する手段としてＡｌ組成比を連続的に変化させた例を説明したが、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を含む多層積層膜からなる超格子構造において、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の厚さ比を徐々に変化させたりして作製したクラッド層であっても、本発明の効果を発揮し得ることは言うまでもない。
（実施例１０）
図１３は、実施例１０によるレーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子は、光出射端面においてｎ型第１クラッド層１０３より下の部分に光吸収体膜８００が形成されていることのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。この光吸収体膜８００によって、ＧａＮ基板１０１およびＧａＮ下地層１０２を通って放射される光がレーザ素子外部に出射されることを防止し、ＦＦＰへの悪影響をより低減することができる。さらに、光吸収体層８００を設けることによって、放射モード（漏れモード）が多少残る半導体積層構造であっても、ＦＦＰに対する放射モードの影響を低減することが可能となるので、実施例１に比べて、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅をさらに狭めることも可能になる。なお、光吸収体膜８００としては、レーザ光を吸収する材料であれば、金属でも樹脂でも用いることができる。
また、図１４に示されているように、光吸収体膜８００の形成範囲は、光出射端面においてｎ型第１クラッド層１０３より下側のノイズ光放射領域８１０の面積の３５％以上を被覆していることが望ましい。ノイズ光放射領域８１０の中でも、リッジストライプ直下部（導波路直下部）８２０の６０％以上を光吸収体膜８００で被覆することがより好ましい。このように光吸収体膜８００を設けることにより、ＦＦＰに対する放射モードの悪影響を低減し得る。また、外部から基板１０１の端面に照射される光がその端面で反射したり基板１０１内に侵入することも防止することができ、光ピックアップのような光学系における不要光を除去し得る効果をも生じる。
実施例１０のレーザ素子がこのような効果を発揮する例としては、光ディスク用ピックアップにおいてトラッキング信号を生成するために３ビーム法を利用する場合がある。３ビーム中のサブビームが戻り光として基板１０１端面に照射される位置を含めて光吸収体膜８００を形成することにより、レーザ素子内部から基板１０１端面を通して出力される放射モード光とサブビームの戻り光とが相互に干渉することに起因して発生するトラッキング信号雑音を除去することが可能になる。
（実施例１１）
実施例１１は、実施例１０に比べて、光吸収体膜８００を光反射膜に置換したことのみにおいて異なっている。このような実施例１１においても、実施例１０の場合と同様の効果が得られる。なお、本実施例１１においても、光反射体を形成すべき領域は、実施例１０の光吸収体膜８００の領域と同じである。
また、反射膜としては、レーザ光の透過率が５０％以下になるような金属膜または誘電体多層膜を利用することができる。具体的には、レーザ素子端面上に誘電体膜を形成した上に蒸着形成された１０ｎｍ以上の厚さを有するＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属膜や、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を４層積層して反射率を５０〜７５％になるように調整した誘電体多層膜などが利用され得る。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、導波路の実効屈折率より大きな屈折率を有する透明基板を含む半導体レーザ素子において、基板と活性層との間に位置するクラッド層の材料と膜厚を所定の屈折率関係になるように選定することにより、基板内への放射損失を顕著に低減でき、しきい値電流が低くかつ信頼性に優れた半導体レーザ素子を実現することができる。また、本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子において、結晶中に発生するクラックを効果的に抑制して作製歩留りが改善されるとともに、基板内への放射損失を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例１による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図２は、図１の半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
図３は、本発明の実施例２による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図４は、本発明の実施例４による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
図５は、本発明の実施例５による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
図６は、本発明の実施例８による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図７は、図６の半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
図８は、本発明の実施例９による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図９は、図８中の第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化の一例を模式的に示すグラフである。
図１０は、実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化の他の例を模式的に示すグラフである。
図１１は、実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化のさらに他の例を模式的に示すグラフである。
図１２は、実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化のさらに他の例を模式的に示すグラフである。
図１３は、本発明の実施例１０による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図１４は、実施例１０における漏れモード放射領域および導波路直下部を説明するための模式的正面図である。
図１５は、従来技術による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
図１６は、従来技術による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【図１】
2003085790.tif 000003
【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】
2003085790.tif 000009
【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】
2003085790.tif 000015
【図１４】
2003085790.tif 000016
【図１５】
2003085790.tif 000017
【図１６】
2003085790.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月1日(2003.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
前記第１領域、前記第２領域、および前記第３領域を含む総厚ｄｔが１．４μｍ≦ｄｔ≦４．５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月29日(2004.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】  レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎsの基板（１０１）の上に形成された屈折率ｎc1の第１クラッド層（１０３）、屈折率ｎc2の第２クラッド層（１０４）、屈折率ｎc3の第３クラッド層（１０５）、屈折率ｎgの第１導電型ガイド層（１０６）、量子井戸活性層（１０７）、第２導電型ガイド層（１０９）、および第２導電型クラッド層（１１０）を含む積層体（１０２−１１１）中に導波路が構成され、
前記導波路の実効屈折率がｎeであって、ｎc2＜（ｎc1，ｎc3）＜ｎe＜（ｎs，ｎg）の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】  前記第１クラッド層（１０３）の厚さがｄc1、前記第２クラッド層（１０４）の厚さがｄc2、そして前記第３クラッド層（１０５）の厚さがｄc3であって、ｄc2，ｄc3＜ｄc1および１．４μｍ≦ｄc1＋ｄc2＋ｄc3の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】  前記第２クラッド層（１０４）はＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されており、前記量子井戸活性層（１０７）はＩｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】  前記基板（１０１）および前記積層体（１０２−１１１）が窒化物半導体からなり、前記第１ラッド層（１０３）、前記第２クラッド層（１０４）、および前記第３クラッド層（１０５）のいずれもがＡｌを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】  前記第１クラッド層（１０３）の厚さがｄc1、前記第２クラッド層（１０４）の厚さがｄc2、前記第３クラッド層（１０５）の厚さがｄc3であり、ｄc2，ｄc3＜ｄc1および１．４μｍ≦ｄc1＋ｄc2＋ｄc3≦４．５μｍの条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】  前記第２クラッド層（１０３）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘc2が０．０６≦ｘc2≦０．３である窒化物半導体からなり、前記第２クラッド層（１０４）の厚さｄc2が０．０５μｍ≦ｄc2≦０．３５μｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】  前記第１クラッド層（１０３）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘc1がｘc1≦０．０７で、かつ前記第３クラッド層（１０５）のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比ｘc3がｘc3≦０．０７であることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】  レーザ光を出射する端面において前記第１クラッド層（１０３）より下方の光放射領域（８１０；８２０）に光吸収体と光反射膜（８００）のいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】  前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の面積の３５％以上の領域に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】  前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の内で前記導波路の下方に該当する面積（８２０）の６５％以上の部分に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】  前記光反射膜（８００）の光透過率が５０％以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】  レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎsの基板（７０１）の上に形成された第１導電型クラッド層（７０３；７０５）、屈折率ｎgの第１導電型ガイド層（７０６）、量子井戸活性層（７０７）、第２導電型ガイド層（７０９）、および第２導電型クラッド層（７１０）を含む積層体（７０２；７０３；７０５−７１０）中に導波路が構成された窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記導波路の実効屈折率がｎeであってｎe＜ｎs，ｎgの条件を満たし、前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）は厚さ方向に順次第１、第２、および第３の領域を含み、前記第２領域は前記第１領域および前記第３領域に比べて大きなＡｌ組成比を有し、前記第１領域、前記第２領域、および前記第３領域のいずれもがｎeより小さな屈折率を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】  前記第１領域、前記第２領域、および前記第３領域を含む総厚ｄtが１．４μｍ≦ｄt≦４．５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】  前記第２領域中において最も高いＡｌ組成比ｘmaxが０．０６≦ｘmax≦０．３５の範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】  前記第２領域中において最も高いＡｌ組成比ｘmaxを有する部分は前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）の中で基板側から前記活性層に向かう方向において２ｄt／３より大きな距離の位置に存在することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１６】  レーザ光を出射する端面において前記第１導電型クラッド層（７０３；７０５）よりも下方の光放射領域（８１０；８２０）に光吸収膜と光反射膜（８００）のいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】  前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の面積の３５％以上の領域に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】  前記光吸収膜または前記光反射膜（８００）は前記光放射領域（８１０；８２０）の内で前記導波路の下方に該当する面積（８２０）の６５％以上の部分に形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１９】  前記光反射膜（８００）の光透過率が５０％以下であることを特徴とする請求項１６に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、光導波路の導波モードを解析する際に考慮される導波路の実効屈折率より大きな屈折率を有する基板を含む半導体レーザ素子に関する。より具体的には、本発明は、たとえばＧａＮ基板上に形成された複数の窒化物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）層を含む半導体レーザ素子において、垂直横モードの安定性の改善とそれら半導体層に含まれるクラッド層におけるクラック発生の防止に関する。
【０００２】
なお、導波路の実効屈折率の定義に関しては、１９７８年にＡＣＡＤＥＭＩＣＰＲＥＳＳから発行されたＣａｓｅｙとＰａｎｉｓｈによるテキストブックＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＬＡＳＥＲＳ第４２−４９頁（特に第４９頁）を参照すべきである。
【０００３】
近年、窒化物半導体からなる青色発光ダイオードが実用化され、さらに青色レーザダイオードの実用も可能になっている。
【０００４】
図１５において、従来技術によってＧａＮ基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子が、模式的な正面図で示されている。このレーザ素子は、ＧａＮ基板８０１上に順次積層された厚さ４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層８０２、ｎ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎクラック防止層８０３、厚さ１．２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４（複数のＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎ層とＧａＮ層とを含む超格子構造を有し、平均でＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎの混晶組成を有する）、厚さ０．０７５μｍのｎ型ＧａＮガイド層８０５、量子井戸活性層８０６（Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ井戸層とＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層の３対を含む）、ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ電子閉じ込め層８０７、厚さ０．０７５μｍのｐ型ＧａＮガイド層８０８、厚さ０．５μｍのＡｌＧａＮクラッド層８０９（複数のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層とＧａＮ層との超格子構造を有し、平均でＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎの混晶組成を有する）、および厚さ１５ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８１０を含んでいる。
【０００５】
図１６は、図１５のレーザ素子からの光放射のＦＦＰ（ファーフィールドパターン）において、活性層に垂直な方向の放射パターン（以下、垂直方向放射パターンと称す）を示すグラフである。すなわち、このグラフの横軸は活性層に平行な方向から垂直な方向への偏角（度）を表わし、縦軸は光強度（ａ．ｕ．：任意単位）を表わしている。図１５のレーザ素子のように導波路の実効屈折率に比べて基板材料の屈折率が大きい場合には、活性層に垂直な方向の横モード（垂直横モード）において、基板にまで達したレーザ光が基板を通して放射される。したがって、図１６に示されているように、ＦＦＰにおいては基本モードの出射方向（活性層に平行な方向）から基板側（下側）に十数度ずれた方向にノイズピークが生じる。このようなノイズピークを生じるレーザ素子は、光ディスクなどへの応用において問題を生じる。また、そのようなノイズピークは導波路の放射損失であるので、レーザ素子のしきい値電流が上昇するとともに、発振時の微分量子効率が低下するという問題を生じる。
【０００６】
他方、図１５のレーザ素子におけるように、ＧａＮ基板８０１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４との間に厚い（４μｍ）ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎコンタクト層８０２を形成した場合には、ＧａＮ基板８０１への放射モード（漏れモード）は抑制される傾向にはなる。しかし、その場合にはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８０４が０．８μｍ程度の比較的大きな厚さに形成されなければならず、その結晶中のクラックを完全に抑制することが困難になる。その結果、リーク電流の発生、しきい値電流の上昇、さらには信頼性の低下などが生じて、レーザ素子の作製歩留りが低下する。
【０００７】
そこで、本発明は、ＧａＮ基板上に半導体レーザ構造が形成されている場合のように、導波路の実効屈折率に比べて大きい屈折率を有する基板を含む半導体レーザ素子において、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークを抑制することを主要な目的としている。本発明はまた、特に窒化物系半導体レーザ素子において、比較的大きなＡｌ組成比を有するｎ型クラッド層におけるクラック発生によるレーザ素子の作製歩留りの低下を防止するとともに、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークを抑制することをも目的としている。
【０００８】
本発明による半導体レーザ素子においては、レーザ光に関して透明でかつ屈折率ｎsの基板の上に順次形成された屈折率ｎc1の第１クラッド層、屈折率ｎc2の第２クラッド層、屈折率ｎc3の第３クラッド層、屈折率ｎgの第１導電型ガイド層、量子井戸活性層、第２導電型ガイド層、第２導電型クラッド層、および第２導電型コンタクト層を含む積層体中に導波路が構成され、その導波路の実効屈折率がｎeであって、ｎc2＜（ｎc1，ｎc3）＜ｎe＜（ｎs，ｎg）の関係を満たすことを特徴としている。
【０００９】
すなわち、本発明においては、導波路領域内の実効屈折率ｎeに比べて高い屈折率ｎsを有する基板を用いる場合に、その基板と活性層との間に設けられるクラッド層を少なくとも３層に分けて、これら３層のクラッド層の内で最も屈折率が小さいクラッド層が他のクラッド層の間に配置されることによって、基板内への光放射が抑制される。特に、ＧａＮ基板やＡｌＧａＮ基板などの窒化物系半導体基板を用いた窒化ガリウム系半導体レーザ素子においては、Ａｌを含む窒化物半導体からなるクラッド層におけるクラック防止と基板への放射モード（漏れモード）の抑制とを両立させることが本発明によって可能になり、レーザ素子の作製歩留りを飛躍的に向上させることができる。
【００１０】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、導波路の実効屈折率に比べて大きな屈折率を有する透光性基板を含む半導体レーザ素子であれば、どのような材料を利用した素子であっても適用され得る。より具体的には、ＧａＮもしくはＡｌＧａＮの基板を含む窒化物半導体レーザ素子、またはＧａＡｓ基板を含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子に本発明を適用することは、信頼性確保の観点から好ましい。
【００１１】
図１において、本発明の好ましい一適用例として、窒化物半導体基板１０１と活性層１０７との間で基板側から順にＡｌxc1Ｇａ1-xc1Ｎ第１クラッド層１０３、Ａｌxc2Ｇａ1-xc2Ｎ第２クラッド層１０４、Ａｌxc3Ｇａ1-xc3Ｎ第３クラッド層１０５、および第１導電型ガイド層１０６を含む窒化物系半導体レーザ素子が示されている。なお、これらの半導体層の少なくとも１層におけるＮ元素の一部がＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂで置換されてもよいが、その場合にはＶ族元素中におけるＮ元素の組成比が０．９以上であることが、その層内で組成の均一性を実現しかつ良好な結晶性を得るために望ましい。また、第１から第３のクラッド層において、Ｉｎが組成比０．０１〜０．０５の範囲内で添加されてもよい。その場合には、より低温でそれらクラッド層の結晶成長が可能となり、成長した結晶が柔軟になってクラックがより低減される効果が得られる。
【００１２】
基板１０１は窒化物半導体で形成され得るが、最も好ましくはＧａＮで形成される。一般に、ＧａＮ基板は他の窒化物半導体基板に比べて結晶の質が高く、信頼性の高い半導体レーザ素子を得るために好ましい。特に、ＧａＮ基板をｎ型導電性にした場合には基板の裏面に電極を形成することができ、このことは半導体レーザチップを小型化し得るので好ましい。ＧａＮ以外にＡｌＧａＮも基板材料として用いられ得るが、その場合には基板の割れ防止の観点から、ＩＩＩ属元素中のＡｌの組成比は０．０２以下であることが望ましい。
【００１３】
窒化物半導体のみからなる基板以外に、本発明においては、異種基板とその上の窒化物半導体層とを含む擬似窒化物半導体基板も用いられ得る。そのような擬似窒化物半導体基板において、ＳｉＯ2等の局所的な結晶成長抑制膜を用いて窒化物半導体層の横方向成長を利用することによって転位密度を低減させるＥＬＯＧ（epitaxial lateral over growth)法が用いられれば、異種基板上の窒化物半導体層内にＳｉＯ2等の局所的膜が含まれることもある。なお、擬似窒化物半導体基板を含むレーザ素子に関しては、擬似基板に含まれる窒化物半導体層が導波路の実効屈折率ｎeに比べて高い屈折率を有しかつ１０μｍ以上の厚さを有する場合に上述の垂直方向放射パターンにおけるノイズピーク（図１６参照）が顕著になるので、本発明の適用が望ましくなる。
【００１４】
図１に示されているように、第１クラッド層１０３と基板１０１との間には、下地層１０２が挿入されてもよい。下地層１０２は、ｎ型ＧａＮで形成することができる。ｎ型ＧａＮの下地層１０２は、ＧａＮ基板１０１表面の凹凸や傷による悪影響を軽減し、クラッド層１０３中の結晶欠陥の低減を可能ならしめるので好ましい。下地層１０２は、ｎ型ＡｌＧａＮで形成することも可能である。ただし、基板１０１の表面の凹凸や傷の影響を緩和するためには、下地層１０２におけるＡｌの組成比はＩＩＩ族元素中で０．０２以下であることが望ましい。
【００１５】
第１クラッド層１０３は、導波路の実効屈折率ｎeより低い屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型Ａｌxc1Ｇａ1-xc1Ｎで形成され得る。ここで、Ａｌの組成比ｘc1は、その層の屈折率がｎeよりも低くなるように選択される。すなわち、ｎeと同じ屈折率を有するＡｌＧａＮ材料のＡｌ混晶比をｘneで表わせば、ｘne＜ｘc1にする必要がある。他方、ｘc1≦０．０７にすることは、第１クラッド層１０３の結晶中で微小なクラックの発生を抑制する観点から好ましい。さらに好ましくは、ｘc1≦０．０５にすれば、基板１０１内へのレーザ光の放射を抑制しつつＦＦＰの垂直方向広がり角を２６°以下に小さくすることが可能になり、半導体レーザ素子を光学系と結合させる際の光結合係数を高くすることができる。
【００１６】
第２クラッド層１０４は、第１クラッド層１０３よりも低い屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型Ａｌxc2Ｇａ1-xc2Ｎで形成され得る。ここで、Ａｌの組成比は、ｘne＜ｘc1＜ｘc2の関係を満たすように選択され、０．０６≦ｘc2≦０．３の範囲が好ましい。すなわち、Ａｌの組成比ｘc2が０．０６より小さい場合は、活性層１０７への光閉じ込め量が減少して、しきい値電流の上昇を招く。他方、ｘc2が０．３よりも大きい場合は、第２クラッド層１０４内にクラックが生じて、信頼性の高いレーザ素子を実現できない。
【００１７】
第３クラッド層１０５は、導波路の実効屈折率ｎeよりも低い屈折率を有しかつ第２クラッド層１０４よりも高い屈折率を有する窒化物半導体で形成されることによって、第３クラッド層１０５がない場合に比較して導波路の実効屈折率ｎeを高くする効果を発揮し得る。具体的には、第３クラッド層１０５はｎ型Ａｌxc3Ｇａ1-xc3Ｎで形成され得て、Ａｌの組成比はｘne＜ｘc3＜ｘc2の関係を満たすように選択される。他方、ｘc1≦０．０７にすることは、第３クラッド層１０５の結晶中で微小なクラックの発生を抑制する観点から好ましい。
【００１８】
第１、第２、および第３のクラッド層１０３、１０４、１０５の厚さをそれぞれｄc1、ｄc2、ｄc3とした場合に、ｄc2＜ｄc1かつｄc3＜ｄc1に設定することによって、基板１０１内への漏れモードを効果的に防止し得るとともに、最もＡｌ組成比の高い第２クラッド層の厚さｄc2が薄くなってクラックの発生が抑制され得る。第２クラッド層１０４の好ましい厚さ範囲は、０．０５μｍ≦ｄc2≦０．３５μｍである。０．０５μｍ＞ｄc2の場合には、第２クラッド層１０４としての光閉じ込め効果がなくなり、しきい値電流が上昇する。他方、ｄc2＞０．３５μｍの場合には、ＦＦＰにおける垂直方向の半値全角が２６°より大きくなり、レーザ素子とレンズとの光結合効率が低下する。ｄc2＞０．３５μｍの場合にはさらに、３層のクラッド層において結晶の割れが生じ易くなり、レーザ素子の作製歩留りが低下する。
【００１９】
３層のクラッド層１０３、１０４、１０５のトータル厚さｄt=ｄc1＋ｄc2＋ｄc3は、４．５μｍ以下であることが望ましい。トータル厚さｄtが４．５μｍを越える場合は、基板上の全ての半導体層の結晶成長終了時点でのクラックは抑制されたとしても、その後のｐ型不純物活性化工程や電極のアロイング工程における熱処理によって結晶の割れが発生する。他方、トータル厚さｄtが１．４μｍよりも薄い場合には、基板１０１内への漏れモードを抑制する効果が小さくなってレーザ損失が発生する。
【００２０】
第１、第２、第３のクラッド層１０３、１０４、１０５の導電型は限定されないが、これらの少なくとも１つの層における導電型がｐ型または絶縁性である場合には、そのｐ型または絶縁性のクラッド層よりも活性層１０７に近い側に存在するｎ型層の表面にｎ型電極を形成しなければならない。他方、少なくとも１つのクラッド層がアンドープ層である場合には、自由キャリア吸収に起因するレーザ吸収損失が低減され得る。また、３つのクラッド層１０３、１０４、１０５のすべてをｎ型半導体で形成する場合には、基板１０１上にｎ型電極を形成することができ、ｎ型電極の接触抵抗の低減や電極形成プロセスの簡略化が可能になる。さらに、３つのクラッド層の導電型をｎ型にするとともに基板１０１をｎ型導電性にすることにより、ｎ型電極を基板１０１の裏面に形成することができ、レーザチップサイズの縮小やチップの実装工程の簡略化が可能になる。
【００２１】
３つのクラッド層１０３、１０４、１０５は必ずしも互いに接触している必要はなく、第１クラッド層１０３と第２クラッド層１０４の間、または第２クラッド層１０４と第３クラッド層１０５との間に、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮなどの薄層が挿入されてもよい。ただし、そような薄層を挿入する場合には、その薄層の厚さ（すなわち、第１クラッド層と第２クラッド層との離間距離または第２クラッド層と第３クラッド層との離間距離に相当）が導波路内部におけるレーザ光の波長の１／４以下にされることが望ましく、窒化物半導体による青紫色レーザの場合には０．０４μｍ以下にされることが望ましい。
【００２２】
また、第１クラッド層１０３と窒化物半導体基板１０１または下地層１０２との間には、ＩｎＧａＮからなる歪み緩和層（図示せず）が挿入されてもよい。この歪み緩和層の厚さは、０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下の範囲内で選択することができる。０．０２μｍより薄い場合には、歪み緩和効果が発現しない。他方、０．０６μｍより厚い場合には、歪み緩和層中にピットが発生しやすくなり、その上に結晶成長する複数の半導体層の結晶性が悪化する。また、歪み緩和層のＩｎ組成比は、０．０３以上０．１２以下が望ましい。Ｉｎ組成比が０．０３より小さい場合には、歪み緩和効果が発現しない。他方、Ｉｎ組成比が０．１２より大きい場合には、歪み緩和層中にピットが発生しやすくなり、その上に結晶成長する複数の半導体層の結晶性が悪化する。この歪み緩和層は、その上に積層する第１〜第３クラッド層における（ｄc1×ｘc1＋ｄc2×ｘc2＋ｄc3×ｘc3）が０．１５μｍを越える場合に顕著な歪み緩和効果を発揮するので、導入されることが望ましい。
【００２３】
さらに、第１、第２、および第３のクラッド層の少なくともいずれかは、多層構造を有していてもよい。多層構造の具体例としては、０．１μｍ厚さでＡｌ組成比が０．１のＡｌＧａＮ層の代わりに、２０ｎｍ厚さのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と２０ｎｍ厚さのＧａＮ層とが交互に２５回繰返された多層構造を採用することができる。多層構造中の各層のＡｌ組成比や厚さは適宜に選択され得るが、各層の厚さがｄiでＡｌ組成比がｘiであるとした場合に、平均Ａｌ組成比Σ（ｄi・ｘi）／Σ（ｄi）が上述のクラッド層に関する条件を満たすように設定されなければならない。
【００２４】
第１導電型ガイド層１０６は、導波路の実効屈折率ｎeより大きい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばｎ型ＧａＮまたはｎ型ＩｎＧａＮで形成され得る。ガイド層１０６の厚さは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０３μｍよりも薄い場合と０．２μｍより厚い場合のいずれにおいても、活性層１０７内への光閉じ込め効果が小さくなり、レーザ素子のしきい値電流の上昇を招く。また、ｎ型ガイド層１０６としてＩｎＧａＮ材料を用いる場合には、Ｉｎの組成比が０．０１以上０．１以下の範囲で選択されることが望ましい。Ｉｎの組成比が０．１を越える場合には、活性層１０７への電子の注入効率が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
【００２５】
活性層１０７は、ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸構造を有するか、またはＩｎＧａＮからなる量子井戸層とＧａＮ、ＩｎＧａＮ、もしくはＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層とを２対以上含む多重量子井戸構造を有し得る。特にＩｎＧａＮの障壁層を含む多重量子井戸構造を利用することにより、活性層１０７内への光閉じ込め量を大きくでき、レーザ素子のしきい値電流が低減され得る。また、多重量子井戸活性層１０７においては、量子井戸数を２〜５の間で選ぶことにより、レーザ素子のしきい値電流を低減し得る。さらに、多重量子井戸活性層１０７の全厚さが０．０４μｍ以上０．０８μｍ以下である場合に、レーザ素子のしきい値電流が低減され得る。さらに、活性層１０７の厚さが０．０４μｍ以上０．０６μｍ以下である場合に、垂直方向のレーザ放射角度を２４°以下に小さくすることが可能となる。活性層１０７には不純物としてＳｉ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅなどを添加してもよく、特にＳｉを１×１０17ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3の範囲で添加することにより、レーザ素子の微分ゲインを最大にすることができて、低しきい値電流が実現され得る。
【００２６】
活性層１０７上の複数の半導体層は、活性層１０７内へ光を閉じ込める導波路構造と活性層１０７内にキャリアを閉じ込めるヘテロ構造とを同時に実現し得る積層を構成できればよい。たとえば、活性層１０７上に、ｐ型保護層１０８、ｐ型ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、およびｐ型コンタクト層１１１が順次積層され、少なくともｐ型クラッド層１１０とｐ型コンタクト層１１１にはリッジストライプ構造が形成される。
【００２７】
ｐ型保護層１０８は、活性層１０７に比べて伝導帯の障壁高さが０．３ｅＶ以上である窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇが添加されたｐ型ＡｌＧａＮで形成され得る。このｐ型ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成比は、０．１以上０．４５以下であることが望ましい。Ａｌの組成比が０．１より小さい場合には、電子に対する障壁高さが低くなって、電子が効果的に活性層１０７に閉じ込められずにｐ型層にオーバーフローし、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。他方、Ａｌ組成比が０．４５を越える場合にも、添加したＭｇが活性化しにくくなって、電子に対する障壁高さが実効的に低下する。より望ましくは、０．３以上０．４５以下のＡｌ組成比を選択することにより、高温（７０℃以上）におけるレーザ素子の信頼性を確保することが可能となる。ｐ型保護層１０８の厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。５ｎｍより薄ければ、層の均一性が失われて、一部においては活性層１０７からｐ型層へ電子がオーバーフローする原因となる。他方、３０ｎｍより厚ければ、保護層１０８が活性層１０７に与える結晶歪みの影響が大きくなり、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
【００２８】
第２導電型ガイド層１０９はｎeよりも大きい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇが添加されたｐ型のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＧａＡｌＮで形成され得る。ｐ型ガイド層１０９の厚さは、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０３μｍよりも薄い場合と０．２μｍより厚い場合のいずれにおいても、活性層１０７内への光閉じ込め効果が小さくなり、レーザ素子のしきい値電流の上昇を招く。また、第２導電型ガイド層１０９としてＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＮを用いる場合には、Ｉｎの組成比は０．０１以上０．１以下の範囲で選択されることが望ましい。Ｉｎの組成比が０．１を越える場合には、活性層１０７内への電子の注入効率が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。
【００２９】
第２導電型クラッド層１１０は、ｎeよりも小さい屈折率を有する窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇを添加したｐ型ＡｌＧａＮで形成され得る。そのＡｌ組成比は、０．０６以上０．２以下であることが望ましい。０．０６より小さい場合は、活性層１０７への光閉じ込め効果が低下し、レーザ素子のしきい値電流が上昇する。Ａｌ組成比が０．２を越える場合には、Ｍｇ添加によるｐ型の導電率が低下して、レーザ素子の寿命が短くなる。ｐ型クラッド層１０９の厚さは、０．２５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。０．２５μｍより薄い場合は、大部分のレーザ光がｐ型電極１１２に吸収されて、導波路損失が大きくなる。また、１．５μｍより厚い場合には、クラッド層の抵抗が大きくなって、レーザ素子の寿命が短くなる。より望ましくは、０．３５μｍ以上０．７μｍ以下の厚さを選択することにより、クラックの発生が抑制され、かつリッジストライプの幅を１〜２μｍに細く形成することが可能となる。
【００３０】
第２導電型コンタクト層１１１は、第２導電型電極１１２とオーミック接触を形成し得る窒化物半導体で形成され、たとえばＭｇを添加したｐ型ＧａＮで形成され得る。また、コンタクト層１１１はＩｎを０．０１〜０．１５の組成比範囲内で添加した材料でも形成可能である。この場合は、ＧａＮを採用した場合に比べてホール濃度を増加させることが可能となり、第２導電型電極１１２における接触抵抗を低減し得る。第２導電型コンタクト層１１１の厚さは、０．０６μｍ以上０．２μｍ以下であることが望ましい。０．０６μｍより薄くなれば、コンタクト層として第２導電型電極１１２と低抵抗の接触を形成することが不可能となる。また、第２導電型コンタクト層１１１の屈折率がｎeよりも大きいので、その厚さが０．２μｍより大きくなれば、活性層１０７をコアとする導波路とは別にコンタクト層１１１をコアとする副次的導波路が形成され、この副次的導波路にレーザ光が結合して出力損失を発生させる。
【００３１】
窒化物半導体基板１０１上に半導体積層構造を形成する前に、その基板面がエッチングされてもよい。窒化物半導体基板の作製の方法などによっては、基板の表面が微細な凹凸を含んでいる場合があるので、その表面を一旦エッチングで平坦にしてから下地層１０２や第１クラッド層１０３を形成することにより、半導体積層構造の結晶性が改善され得る。
【００３２】
本発明において、窒化物半導体層の結晶成長には、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）などのように、窒化物半導体層を成長させ得るいずれの方法をも利用することができる。
【００３３】
（実施例１）
実施例１として、図１の窒化物半導体レーザ素子を製造する工程が説明される。まず、１１２５℃のｎ型ＧａＮ基板１０１上において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニア、および不純物としてのシラン（ＳｉＨ4）を用いて、ｎ型ＧａＮ下地層１０２が３μｍの厚さに成長させられる。
【００３４】
次に、同じ基板温度において、キャリヤガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3にドープされたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型第１クラッド層１０３が１．８μｍの厚さに成長させられる。同様にして、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3にドープされたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型第２クラッド層１０４が０．２μｍの厚さに成長させられる。さらに、同様にして、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3にドープされたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型第３クラッド層１０５が０．１μｍの厚さに成長させられる。
【００３５】
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度８×１０17ｃｍ-3にドープされたＧａＮからなるｎ型ガイド層１０６が０．０８μｍの厚さに成長させられる。
【００３６】
次に、基板温度を７６０℃に下げて、キャリアガスとしての窒素またはアルゴン、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度２×１０18ｃｍ-3にドープされたＧａＮからなる障壁層が１２ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランガスを止めてＴＭＧを追加して、アンドープのＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎからなる井戸層が４ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層を３回繰返して形成した後に最後の障壁層を積層し、総厚６０ｎｍで多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する活性層１０７が形成される。
【００３７】
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇが濃度１×１０19ｃｍ-3で添加されたＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなるｐ型保護層１０８が２０ｎｍの厚さに成長させられる。
【００３８】
次に、基板温度が１０３５℃に上げられ、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０19ｃｍ-3で添加されたＧａＮからなるｐ型ガイド層１０９が０．０８μｍの厚さに成長させられる。
【００３９】
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての窒素と、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニアを用いて、アンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮからなるＡ層を２．５ｎｍの厚さに成長させ、続いて、ＴＭＡを止めて不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度３×１０19ｃｍ-3でドープされたＧａＮからなるＢ層を２．５ｎｍの厚さに成長させる。このようにしてＡ層とＢ層とを交互に１００回繰返してに積層し、総厚０．５μｍの多層膜（超格子構造）を含むｐ型クラッド層１１０が形成される。
【００４０】
次に、同じ基板温度において、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度１．５×１０20ｃｍ-3でドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１が６０ｎｍの厚さに成長させられる。
【００４１】
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハが室温付近まで冷却されて反応容器から取り出され、ｐ型コンタクト層１１１上にパラジウム／モリブデン／金からなるｐ型電極層１１２が形成される。次に、ｐ型電極層１１２上にストライプ状のレジストマスク（図示せず）を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってリッジストライプ１１４を形成する。すなわち、Ａｒガスによってｐ型電極１１２をエッチングし、さらにＡｒとＣｌ2とＳｉＣｌ4の混合ガスによってｐ型コンタクト層１１１とｐ型クラッド層１１０の途中までエッチング、またはｐ型ガイド層１０９の途中までエッチングする。そして、底辺における１．６μｍの幅とｐ型電極１１２の上面における１．３μｍの幅を有するリッジストライプ１１４が形成される。
【００４２】
さらに、リッジストライプ１１４上のレジストを残したままで、ウエハの上面を覆うように、絶縁膜１１５（ここでは、主としてＺｒＯ2からなるＺｒ酸化物）が厚さ０．５μｍに形成される。その後、レジストを除去することにより、リッジストライプ１１４の上辺が露出させられる。
【００４３】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０１の厚さが１１０μｍになるまで、その裏面が研削されて研磨される。その後、基板裏面上にｎ型電極１１３を形成し、その電極の合金化処理が５３０℃で約２分間行われる。そして、ｐ型電極１１２と少なくともその両側近傍の絶縁膜１１５を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極１１６が形成される。そして、破線スクライブ法によってウエハの劈開面で共振器端面を形成した後、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内にあることが望ましい。
【００４４】
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極１１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しきい値電流が２．５ｋＡｃｍ-2で、しきい値電圧が４．３Ｖであり、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。また、７０℃で３万時間以上の寿命を示すレーザ素子が８３％の歩留りで得られた。
【００４５】
図２は、本実施例１によるレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの光強度分布を示している。図２においては図１６に示されているような従来の漏れモードによるノイズピークが大幅に低減され、レーザ素子の光ディスク装置などへの応用においても問題を生じない程度に抑制されている。なお、本実施例１では、複数の半導体層中のクラック発生も観測されなかった。また、本実施例１では、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅角を２２．５°に小さくすることができ（図２参照）、同じＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅角１０．５°に対する比率が小さな２．１になる。すなわち、実施例１のレーザ素子では、レーザ光をレンズで集光する際の光の利用効率の向上を図ることができる。
【００４６】
（実施例２）
図３において、実施例２によるレーザ素子が模式的な正面図で示されている。図３と図１の比較からわかるように、実施例２のレーザ素子は、ｎ型下地層１０２とｎ型第１クラッド層１０３との間に歪み緩和層１２０が挿入されていることのみにおいて実施例１と異なっている。歪み緩和層１２０は、たとえばｎ型Ｉｎ0.09Ｇａ0.91Ｎで形成され得る。
【００４７】
すなわち、８００℃の基板温度において、キャリアガスとしての９５％窒素と５％水素の混合ガス、原料ガスとしてのＴＭＧ、ＴＭＩ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度５×１０18ｃｍ-3でドープされた厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ0.09Ｇａ0.91Ｎ歪み緩和層１２０が形成され得る。
【００４８】
本実施例２で得られたレーザ素子においては、実施例１と同様の特性を示す素子の作製歩留りが９４％に上昇した。
【００４９】
（実施例３）
実施例３によるレーザ素子は、図１中の誘電体層１１５が高抵抗またはｎ型のＡｌＧａＮ層で置き換えられることのみにおいて実施例１と異なっている。そのような実施例３のレーザ素子においても、実施例１の場合とほぼ同様の効果が得られる。このＡｌＧａＮ層の作製方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などの結晶成長方法を適用することができる。また、スパッタ法でそのＡｌＧａＮ層を形成する場合には、基板温度は結晶成長の場合に比較して低温の７００℃以下に設定され得るので、活性層１０７の熱劣化を防止する観点から好ましい。
【００５０】
また、そのＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、高出力まで安定した横モードを実現するために、ｐ型クラッド層１１０に比べて高くすることが望ましい。さらに、そのＡｌＧａＮ層のＡｌとｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比を同一にし、かつリッジストライプ１１４を形成するためのエッチングをｐ型ガイド層１０９に達するまで行う場合には、高出力まで安定した横モードを実現できるとともに、そのＡｌＧａＮ層の割れの発生に伴うリーク電流を効果的に防止し得る。
【００５１】
（実施例４）
実施例４によるレーザ素子は、第１クラッド層１０３に関する条件がｘc1＝０．０３８とｄc1＝３．３μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。図４は、本実施例４のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。この図４からわかるように、実施例４においては、ＦＦＰの垂直方向放射パターンにおけるノイズピークがほぼ完全に防止されており（図１６をも参照）、かつその垂直方向放射パターンの半値全角も小さな２２°であり、応用上最も望ましいレーザ素子が得られる。
【００５２】
（実施例５）
実施例５によるレーザ素子は、第２クラッド層１０４に関する条件がｘc2＝０．０７とｄc2＝０．３５μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。図５は、本実施例５のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。この図５からわかるように、本実施例５においても、垂直方向放射パターンにおけるノイズピークが顕著にに防止されており、かつその垂直方向放射パターンの半値全角も小さな２３°であり、良好なレーザ素子が得られる。
【００５３】
（実施例６）
実施例６によるレーザ素子は、第３クラッド層１０５に関する条件がｘc3＝０．０５とｄc3＝０．０５μｍに設定されたことのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。この実施例６においても、実施例５と同様の効果が得られる。
【００５４】
（実施例７）
実施例７のレーザ素子は、量子井戸活性層１０７が少し変更されたことのみにおいて実施例１の場合と異なっている。すなわち本実施例７における活性層の形成においては、ｎ型ガイド層１０６の形成後に基板温度が８００℃にされ、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＩ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度５×１０17ｃｍ-3でドープされたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる障壁層が８ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランガスを止めて、アンドープのＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎからなる井戸層が３ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層の形成を５回繰返して積層し、その後に最後の障壁層を成長させることによって総厚６３ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む活性層１０７が形成される。本実施例７においても、実施例１の場合と同様の効果が得られる。
【００５５】
（実施例８）
図６は、実施例８によるＡｌＧａＡｓ系レーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子の作製においては、まず７２０℃のｎ型ＧａＡｓ基板６０１上で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのシランを用いて、ｎ型ＧａＡｓ下地層６０２が０．５μｍの厚さに成長させられる。
【００５６】
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのを用いて、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3でドープされたＡｌ0.04Ｇａ0.96Ａｓからなるｎ型第１クラッド層６０３が３．５μｍの厚さに成長させられる。同様にして、Ｓｉが濃度２×１０18ｃｍ-3でドープされたＡｌ0.5Ｇａ0.8Ａｓからなるｎ型第２クラッド層６０４が０．１５μｍの厚さに成長させられ、Ｓｉが濃度１×１０18ｃｍ-3でドープされたＡｌ0.05Ｇａ0.96Ａｓからなるｎ型第３クラッド層６０５が０．１μｍの厚さに成長させられる。続いて、ＴＭＡの供給を停止して、Ｓｉが濃度８×１０17ｃｍ-3でドープされたＧａＡｓからなるｎ型ガイド層６０６が０．１２μｍの厚さに成長させられる。
【００５７】
次に、基板温度が６８０℃に下げられ、キャリアガスとしての水素および原料ガスとしてのＴＭＧとアルシンを用いて、アンドープのＧａＡｓからなる障壁層が２０ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、ＴＭＩを追加供給して、アンドープのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ａｓからなる井戸層が１１ｎｍの厚さに成長させられる。それらの障壁層と井戸層を２回繰返して積層した後に、最後の障壁層を成長させて総厚８２ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含むの活性層６０７が形成される。
【００５８】
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのＤＥＺｎ（ジエチルジンク）を用いて、Ｚｎが濃度１．３×１０18ｃｍ-3で添加されたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなるｐ型保護層６０８が２０ｎｍの厚さに成長させられる。
【００５９】
次に、基板温度を７２０℃上げて、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いてＺｎが濃度７×１０17ｃｍ-3で添加されたＧａＡｓからなるｐ型ガイド層６０９が０．１２μｍの厚さに成長させられる。次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアルシン、さらに不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いてＺｎが濃度１．６×１０18ｃｍ-3で添加されたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなるｐ型クラッド層６１０が厚さ１．５μｍに成長させられる。
【００６０】
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＤＥＺｎを用いて、Ｚｎが濃度３×１０18ｃｍ-3でドープされたＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層６１１が１．０μｍの厚さに成長させられる。
【００６１】
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハが室温付近まで冷却されて、反応容器から取り出される。得られたウエハ上には、ストライプ状のシリコン酸化膜（図示せず）をマスクとするＲＩＥによって、リッジストライプが形成される。すなわち、Ｃｌ2ガスを用いてｐ型コンタクト層６１１とｐ型クラッド層６１０の途中まで、またはｐ型ガイド層６０９の途中までエッチングし、底辺における４μｍのストライプ幅とｐ型電極４１２の上面における３μｍのストライプ幅を有するリッジストライプ６１４が形成される。
【００６２】
次に、シリコン酸化膜マスクを残したままウエハを再び結晶成長装置内にセットし、７２０℃の基板温度において、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアルシン、および不純物ガスとしてのシランを用いて、厚さ１．０μｍのｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層６１５が選択成長させられる。
【００６３】
ウエハを室温付近まで冷却した後、選択成長マスクとして用いたシリコン酸化膜を除去し、現れたリッジストライプ６１４頂部のｐ型コンタクト層６１１上に、亜鉛／金からなるｐ型電極６１２が形成される。
【００６４】
次に、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１が厚さ９０μｍになるまでその裏面が研削されて研磨され、その後にｎ型電極６１３がその基板裏面に形成される。そして、その電極のアロイングが、真空中で４５０℃にて３分間行なわれる。次に、ｐ型電極６１２と少なくともその両側近傍の電流狭窄層６１５を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極６１６が形成される。最後に、ウエハを劈開して共振器端面を形成した後に、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内にあることが望ましい。
【００６５】
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極６１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しき電流が４５０Ａｃｍ-2で、しきい値電圧が１．７Ｖであり、発振波長８９５ｎｍの連続発振が確認された。また、８５℃で２万時間以上の寿命を示す素子が８０％の歩留りで得られた。
【００６６】
図７は、本実施例８によるレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンを示している。図７からわかるように、実施例８においては、図１６に示されているような従来のノイズピークがほぼ完全に抑制されている。また、本実施例では、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅角を小さな２３°にすることができ、同じＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅角１０°に対する比率も小さな２．３になる。すなわち、実施例８のレーザ素子は、レンズで集光する際の光の利用効率の向上をも図ることができる。
【００６７】
（実施例９）
図８は、実施例９によるレーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子では、ｎ型クラッド層の厚さ方向において連続的に屈折率が変化させられている。このレーザ素子の作製においては、まず１１２５℃のｎ型ＧａＮ基板７０１上で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、ｎ型ＧａＮ下地層７０２が３μｍの厚さに成長させられる。
【００６８】
次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3でドープされたＡｌxＧａ1-xＮからなるｎ型第１クラッド層７０３が２．５μｍの厚さに成長させられる。ここで、ｎ型第１クラッド層７０３のＡｌ組成比ｘは、下界面ではｘ＝０、上界面ではｘ＝０．１２に単調増加するように変化させられる。なお、本実施例９ではＡｌ組成比ｘが層厚に比例して増加するように線形に変形させられるが、層厚の２次関数となるようにｘを増加させてもよいし、階段状にｘを増加させてもよい。
【００６９】
次に、同じ基板温度と同種のガスを用いて、第２クラッド層が省略されて、Ｓｉが濃度３×１０18ｃｍ-3で添加されたｎ型ＡｌyＧａ1-yＮ第３クラッド層７０５が０．３μｍの厚さに成長させられる。ここで、ｎ型第３クラッド層７０５のＡｌ組成比ｙは、下界面（ｎ型第１クラッド層７０３との界面）のｙ＝０．１２から上界面のｙ＝０まで単調減少するように変化させられる。
【００７０】
図９のグラフは、本実施例９のｎ型クラッド層７０３と７０５における厚さ方向のＡｌ組成比の変化を示している。このグラフにおいて、横軸はｎ型クラッド層７０３の下面からの層厚（μｍ）を表わし、縦軸はＡｌ組成比を表わしている。
なお、ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５のＡｌ組成比を連続的に変化させて極大値となる界面付近（ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５の界面付近）がｎ型第２クラッド層として機能するので、異なる層として第２クラッド層を形成する必要がない。このように、本実施例９では、基板７０１側から活性層７０７側に向かって、屈折率が高低高の少なくとも３つの領域が存在するようにｎ型クラッド層７０３、７０５を形成することが重要である。
【００７１】
さらに、同じ基板温度で、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度８×１０17ｃｍ-3でドープされたＧａＮからなるｎ型ガイド層７０６が０．１３μｍの厚さに成長させられる。
【００７２】
次に、基板温度を７８０℃に下げて、キャリアガスとしての窒素またはアルゴン、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのシランを用いて、Ｓｉが濃度１×１０19〜３×１０20ｃｍ-3の範囲で添加されたＧａＮからなる障壁層が１０ｎｍの厚さに成長させられる。続いて、シランをとめてＴＭＩを追加て、不純物無添加のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる井戸層が３ｎｍの厚さに成長させられる。これらの障壁層と井戸層を３回繰返して積層した後に、最後の障壁層を成長させて総厚４９ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含む活性層７０７が形成させられる。
【００７３】
次に、同じ基板温度で、シラン、ＴＭＧ、およびアンモニアを用いて、ｎ型ＧａＮバンド調整層７２０が７ｎｍの厚さに形成される。さらに、ＴＭＧとアンモニアを用いて、アンドープＧａＮ中間層７２１が７０ｎｍの厚さに形成される。次に、キャリアガスとしての水素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０20ｃｍ-3で添加されたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型保護層７０８が１２ｎｍの厚に成長させられる。
【００７４】
さらに、基板温度を１０３５℃に上げて、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度２×１０19ｃｍ-3で添加されたＧａＮからなるｐ型ガイド層７０９が０．０８μｍの厚さに成長させられる。次に、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＡ、ＴＭＧ、およびアンモニア、さらに不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度９×１０19ｃｍ-3でドープされたｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層７１０が厚さ０．５μｍに成長させられる。さらに、同じ基板温度で、キャリアガスとしての窒素、原料ガスとしてのＴＭＧとアンモニア、および不純物ガスとしてのＣｐ2Ｍｇを用いて、Ｍｇが濃度１．５×１０20ｃｍ-3でドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層７１１が６０ｎｍの厚さに成長させられる。
【００７５】
以上のように成長させられた複数の半導体層を含むウエハは室温付近まで冷却され、反応容器から取り出される。そのウエハのｐ型コンタクト層７１１を覆うように、パラジウム／モリブデン／金からなるｐ型電極層７１２が形成される。次に、ｐ型電極７１２層上にレジストマスク（図示せず）を形成して、ＲＩＥを利用してリッジストライプが形成される。すなわち、Ａｒガスによってｐ型電極７１２エッチングし、さらにＡｒとＣｌ2とＳｉＣｌ4の混合ガスによってｐ型コンタクト層７１１とｐ型クラッド層７１０の途中まで、またはｐ型ガイド層７０９の途中までエッチングされる。そして、底辺において１．８μｍのストライプ幅を有し、かつｐ型電極７１２の上面において１．６μｍのストライプ幅を有するリッジストライプ７１４が形成される。
【００７６】
さらに、リッジストライプ７１４上のレジストを残したままで、ウエハの上面を覆うように絶縁膜７１５（ここでは、酸化珪素）を厚さ０．２μｍに形成した後に、レジストを除去することによってリッジストライプ７１４の上面が露出させられる。
【００７７】
次に、ｎ型ＧａＮ基板７０１の厚みが１３０μｍになるまでその裏面が研削されて研磨された後に、ハフニウムとアルミニウムを含む金属からなるｎ型電極層７１３が基板裏面に形成される。そして、この電極層には、４８０℃で約２分間の合金化処理が行われる。また、リッジストライプ７１４上のｐ型電極７１２とその両側近傍の絶縁膜７１５の少なくとも一部を覆うように、モリブデンと金からなるｐ型パッド電極７１６が形成される。最後に、破線スクライブ法によってウエハを劈開して共振器端面を形成した後に、チップ分割によって半導体レーザ素子が作製される。なお、共振器長は、１８０〜８５０μｍの範囲内であることが望ましい。
【００７８】
得られたレーザ素子をヒートシンクにダイボンディングし、ｐ型パッド電極１１６にワイヤボンディングして、室温でレーザ発振が試みられた。その結果、しきい電流が２．１ｋＡｃｍ-2、しきい値電圧が４．２Ｖで、発振波長４００ｎｍの連続発振が確認された。また、８０℃で２万時間以上の寿命を示すレーザ素子が得られた。
【００７９】
本実施例９によるｎ型クラッド層７０３、７０５の膜厚方向におけるＡｌ組成比の変化プロファイルが図９に示されている。このようにｎ型クラッド層のＡｌ組成比を徐々に変化させることによって、実施例１に比較して、よりＡｌＧａＮ層中のクラックを防止することが可能となり、レーザ素子の歩留りを向上させることが可能になる。
【００８０】
本実施例９のレーザ素子のＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅は小さな１６°であり、また基板７０１内への放射光に起因するノイズピークが効果的に抑制され得る。さらに、実施例９のレーザ素子では、ＦＦＰにおける水平方向放射パターンの半値全幅が１０．５°であり、楕円率が小さな１．５になり得る。すなわち、本実施例のレーザ素子を用いることによって、光ディスク用ピックアップにおいて、ビーム整形プリズムの省略による小型化やコストダウンにの効果が得られる。
【００８１】
なお、本実施例９では、図９に示されているようにＡｌ組成比のｘやｙが層厚に従って線形に変化させられているが、Ａｌ組成比の変化のプロファイルは２次関数や階段状でもよく、たとえば図１０、図１１、および図１２に例示されているような組成比分布によっても本発明の効果が期待され得る。
【００８２】
本実施例９のように、導波路の実効屈折率よりも高い屈折率を有する透明基板と活性層との間で、Ａｌ組成比を連続的または階段状に変化させることによってＡｌＧａＮクラッド層のクラックを抑制するためには、活性層７０７と基板７０１の間のクラッド層のトータル厚みｄtが１．４μｍ≦ｄt≦４．５μｍの範囲内にあることが重要である。なお、この場合にクラッド層として機能する厚さ部分ｄtは、導波路の実効屈折率よりも低い屈折率を有する部分のみであることに留意すべきである。たとえば、図９の場合には、Ａｌ混晶比が０．０４を超える領域がクラッド層として機能する部分であり、その厚さｄtは１．８μｍとなる。
【００８３】
また、活性層７０７と基板７０１との間に位置するクラッド層の中で最も屈折率の低い（Ａｌ組成比の高い）部分のＡｌ組成比ｘmaxを０．０６≦ｘmax≦０．３５範囲内にすることにより、クラッド層のクラックを抑制しつつ基板７０１内への放射モードを効果的に抑制することができる。さらに、クラッド層中においてｘmaxとなる部分の中心位置が、クラッド層の下面から厚み方向に２ｄt／３よりも上側になるように調整することにより、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅を２１°よりも小さくすることが可能となる。
【００８４】
さらに、本実施例９のように屈折率を連続的に変化させることによって３層のクラッド層と同様の機能を実現する場合においても、ｎ型第１クラッド層７０３やｎ型第３クラッド層７０５の一部またはこれらの２層の界面に、導波路内におけるレーザ波長の１／４以下の厚さ（本実施例の場合は０．０４μｍ以下の厚さ）を有しかつその上下に接するクラッド層とは異なる屈折率を有する薄層を挿入することができる。具体的には、ｎ型第１クラッド層７０３とｎ型第３クラッド層７０５との界面に０．００５μｍから０．０４μｍの範囲内の厚さのＧａＮクラック抑制層を挿入したり、ｎ型第１クラッド層７０３中に０．０１μｍから０．０４μｍの範囲内の厚さのＧａＮバッファ層を挿入してもよい。
【００８５】
また、本実施例９では、傾斜接合を実現する手段としてＡｌ組成比を連続的に変化させた例を説明したが、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を含む多層積層膜からなる超格子構造において、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の厚さ比を徐々に変化させたりして作製したクラッド層であっても、本発明の効果を発揮し得ることは言うまでもない。
【００８６】
（実施例１０）
図１３は、実施例１０によるレーザ素子を模式的な正面図で示している。このレーザ素子は、光出射端面においてｎ型第１クラッド層１０３より下の部分に光吸収体膜８００が形成されていることのみにおいて、実施例１の場合と異なっている。この光吸収体膜８００によって、ＧａＮ基板１０１およびＧａＮ下地層１０２を通って放射される光がレーザ素子外部に出射されることを防止し、ＦＦＰへの悪影響をより低減することができる。さらに、光吸収体層８００を設けることによって、放射モード（漏れモード）が多少残る半導体積層構造であっても、ＦＦＰに対する放射モードの影響を低減することが可能となるので、実施例１に比べて、ＦＦＰにおける垂直方向放射パターンの半値全幅をさらに狭めることも可能になる。なお、光吸収体膜８００としては、レーザ光を吸収する材料であれば、金属でも樹脂でも用いることができる。
【００８７】
また、図１４に示されているように、光吸収体膜８００の形成範囲は、光出射端面においてｎ型第１クラッド層１０３より下側のノイズ光放射領域８１０の面積の３５％以上を被覆していることが望ましい。ノイズ光放射領域８１０の中でも、リッジストライプ直下部（導波路直下部）８２０の６０％以上を光吸収体膜８００で被覆することがより好ましい。このように光吸収体膜８００を設けることにより、ＦＦＰに対する放射モードの悪影響を低減し得る。また、外部から基板１０１の端面に照射される光がその端面で反射したり基板１０１内に侵入することも防止することができ、光ピックアップのような光学系における不要光を除去し得る効果をも生じる。
【００８８】
実施例１０のレーザ素子がこのような効果を発揮する例としては、光ディスク用ピックアップにおいてトラッキング信号を生成するために３ビーム法を利用する場合がある。３ビーム中のサブビームが戻り光として基板１０１端面に照射される位置を含めて光吸収体膜８００を形成することにより、レーザ素子内部から基板１０１端面を通して出力される放射モード光とサブビームの戻り光とが相互に干渉することに起因して発生するトラッキング信号雑音を除去することが可能になる。
【００８９】
（実施例１１）
実施例１１は、実施例１０に比べて、光吸収体膜８００を光反射膜に置換したことのみにおいて異なっている。このような実施例１１においても、実施例１０の場合と同様の効果が得られる。なお、本実施例１１においても、光反射体を形成すべき領域は、実施例１０の光吸収体膜８００の領域と同じである。
【００９０】
また、反射膜としては、レーザ光の透過率が５０％以下になるような金属膜または誘電体多層膜を利用することができる。具体的には、レーザ素子端面上に誘電体膜を形成した上に蒸着形成された１０ｎｍ以上の厚さを有するＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属膜や、ＳｉＯ2とＴｉＯ2を４層積層して反射率を５０〜７５％になるように調整した誘電体多層膜などが利用され得る。
【００９１】
以上のように、本発明によれば、導波路の実効屈折率より大きな屈折率を有する透明基板を含む半導体レーザ素子において、基板と活性層との間に位置するクラッド層の材料と膜厚を所定の屈折率関係になるように選定することにより、基板内への放射損失を顕著に低減でき、しきい値電流が低くかつ信頼性に優れた半導体レーザ素子を実現することができる。また、本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子において、結晶中に発生するクラックを効果的に抑制して作製歩留りが改善されるとともに、基板内への放射損失を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図２】  図１の半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【図３】  本発明の実施例２による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図４】  本発明の実施例４による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【図５】  本発明の実施例５による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【図６】  本発明の実施例８による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図７】  図６の半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【図８】  本発明の実施例９による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図９】  図８中の第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化の一例を模式的に示すグラフである。
【図１０】  実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化の他の例を模式的に示すグラフである。
【図１１】  実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化のさらに他の例を模式的に示すグラフである。
【図１２】  実施例９における第１導電型クラッド層の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化のさらに他の例を模式的に示すグラフである。
【図１３】  本発明の実施例１０による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図１４】  実施例１０における漏れモード放射領域および導波路直下部を説明するための模式的正面図である。
【図１５】  従来技術による半導体レーザ素子の模式的正面図である。
【図１６】  従来技術による半導体レーザ素子の垂直方向放射パターンにおける光強度分布を示すグラフである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
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【国際調査報告】
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2003085790.tif 000021
2003085790.tif 000022
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