(57)【要約】  窒化物半導体レーザ素子は、第一導電型の基板と、第一導電型の基板の第一の面に形成されたストライプ状の溝と、ストライプ状の溝を覆うように第一導電型の基板の第一の面上に形成された、第一導電型のクラッド層、活性層、第二導電型のクラッド層、および第二導電型のコンタクト層を含む積層構造とを備え、活性層はストライプ状の溝に沿って湾曲している。
2015011858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型の基板と、
前記基板の第一の面に形成されたストライプ状の溝と、
前記ストライプ状の溝を覆うように前記第一の面上に形成された、第一導電型のクラッド層、活性層、第二導電型のクラッド層、および第二導電型のコンタクト層を含む積層構造とを備え、
前記活性層は、前記ストライプ状の溝に沿って湾曲していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ストライプ状の溝の高さが、前記第二導電型のクラッド層の厚さよりも大きなことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
少なくとも前記ストライプ状の溝の内部において、前記積層構造の表面にリッジストライプが形成され、
前記リッジストライプの外側で第二導電型のコンタクト層の一部または全部が除去され、前記リッジストライプの幅が前記ストライプ状の溝の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第一導電型の基板およびクラッド層の第一導電型不純物の濃度が、前記第二導電型のクラッド層の第二導電型不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第一導電型のクラッド層は、前記ストライプ状の溝の形状に沿って窪みを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層、前記第二導電型のクラッド層は、前記ストライプ状の溝の形状に沿って窪みを有し、前記第二導電型のコンタクト層は前記窪みの内側に配置されることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
第一導電型の基板と、
前記基板の上に形成された前記第一導電型のクラッド層と、
前記第一導電型のクラッド層の第一の面上に形成されたストライプ状の溝と、
前記ストライプ状の溝を覆うように前記第一の面上に形成された、活性層、第二導電型のクラッド層、および前記第二導電型のコンタクト層を含む積層構造とを備え、
前記活性層は、前記ストライプ状の溝に沿って湾曲していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ストライプ状の溝の高さが、前記第二導電型のクラッド層の厚さよりも大きなことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
少なくとも前記ストライプ状の溝の内部において、前記積層構造の表面にリッジストライプが形成され、
前記リッジストライプの外側で第二導電型のコンタクト層の一部または全部が除去され、前記リッジストライプの幅が前記ストライプ状の溝の幅よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記第一導電型の基板およびクラッド層の第一導電型不純物の濃度が、前記第二導電型のクラッド層の第二導電型不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記活性層、前記第二導電型のクラッド層は、前記ストライプ状の溝の形状に沿って窪みを有し、前記第二導電型のコンタクト層は前記窪みの内側に配置されることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光出力の大きな窒化物半導体発光素子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機器の省エネルギー化や長寿命化に対応するために、プロジェクタや液晶バックライトなどのディスプレイ装置用途に、窒化物半導体発光素子を用いた光源が利用されている。窒化物半導体レーザに代表される、導波路を有する窒化物半導体発光素子は、光を放射する方向を示す指向性に優れているという特徴がある。そこで、このような窒化物半導体発光素子を実装した窒化物半導体発光装置の産業用途への応用も進んでいる。例えば、窒化物半導体発光装置を光源としたレーザスクライブ装置やレーザアニール装置については実用化の検討が進んでいる。これらの装置に用いる光源は、光出力が１ワット以上のワットクラスの高い光出力を必要とするため窒化物半導体発光装置にも高出力化が要望されている。【０００３】
半導体レーザ素子では、量子井戸などで構成される活性層に電子と正孔（電子正孔対）を注入し、再結合させることで光を放射する。放射された光は、半導体レーザ素子内に形成された導波路を伝播し、二つの反射面で反射し往復する。導波路を往復する光（以下、導波光と呼ぶ）は、導波路を伝播する過程で増幅され、レーザ発振に至る。レーザ発振とは、導波光を増幅する利得が、損失すなわち、反射面で失われる成分と導波路で散乱・吸収によって失われる成分を上回った状態である。高い光出力を実現するためには、これらの損失を低減する構造が必要となる。反射面で失われる光の強度は、半導体レーザ素子から外部に放出される光強度とほぼ等しい。そのため、必要な光出力に応じて反射面の反射率は、その反射面に形成される反射膜の構成によって調節される。一方、導波路で散乱や吸収によって失われる光の成分は内部損失と呼ばれ、これはできる限り小さいことが望ましい。【０００４】
図６は、特許文献１に開示された窒化物半導体レーザ素子で、現在一般的に利用されている構造である。従来型の窒化物半導体レーザ素子２００１は、ｎ−ＧａＮ基板２０１０上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層を含むｎ型窒化物半導体層２０２１、ＩｎＧａＮ活性層２０２２、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ−ＧａＮコンタクト層を含むｐ型窒化物半導体層２０２３を積層して構成される。この積層構造のｐ型窒化物半導体層２０２３側にリッジストライプ２０２４を形成する。さらに、このリッジストライプ２０２４の外側に光閉じ込め膜となる絶縁膜２０３０を形成する。この絶縁膜２０３０は、電流をリッジストライプ２０２４内部に閉じ込める電流狭窄機能と、導波光をリッジ直下に閉じ込める光閉じ込め機能の二つの役割をもつ。したがって、絶縁膜２０３０には、三つの性質、すなわち、電気的に高抵抗であること、低屈折率であること、導波光に対して透明であることが必要である。産業上の使いやすさの観点からＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜が使われることが多い。なお、従来型の窒化物半導体レーザ素子２００１にはさらに、ｐ側電極２０４０、保護膜２０５０、ｐ側パッド電極２０６０、ｎ側電極２０７０が設けられている。【０００５】
レーザ発振中の導波光はｐクラッド層側に拡がって分布しているため、導波光分布はリッジストライプ２０２４の外側に形成された低屈折率層（絶縁膜２０３０）に到達する。そのため、実効的に、リッジストライプ２０２４の直下は屈折率が高く、リッジストライプ２０２４の外側は屈折率が低くなり、屈折率導波構造が実現される。絶縁膜２０３０は導波光に対して透明であるため、絶縁膜２０３０での光吸収による損失は小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２２６０９４号公報
【発明の概要】
【０００７】
しかし、窒化物半導体レーザ素子の内部では無視できない吸収損失が発生する。ｐ−クラッド層は通電経路でもあるため、電気的に低抵抗であることが求められる。そのため、Ｍｇのようなｐ型不純物がドーピングされている。ｐ型不純物の電気的な活性化率は低いため、ｐ型不純物濃度は１０１９ｃｍ−３台の高濃度の状態にする必要がある。この高濃度ｐ型不純物は導波光を吸収する。すなわち、電気抵抗を下げることと導波光の吸収を低減することが二律背反の関係にある。
【０００８】
そこで、窒化物半導体レーザ素子の積層構造を工夫することによって、導波光がｐクラッド層側に拡がらないようにすることができる。たとえば、ｐクラッド層となるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くして、その屈折率を低くすることで、導波光のｐクラッド層側への拡がりを抑えることができる。これにより、ｐクラッド層内での導波光の吸収を低下できる。ところが、この場合、リッジストライプの外側に配置した絶縁膜への導波光の拡がりも同時に低下する。そのため、素子の横方向の屈折率導波構造の機能が低下し、導波光の水平横モードが不安定となる。デバイス特性上は、注入電流の増加に対して光出力が線形に増大しないキンクと呼ばれる現象が発生し、実用上レーザ光出力の制御が困難になる。横方向の屈折率導波構造の機能とｐクラッド層での導波光の吸収低減はやはり二律背反の関係となる。
【０００９】
上述のように、リッジストライプと光閉じ込め膜を用いた窒化物半導体レーザ素子では、横方向の屈折率導波構造とｐクラッド層での光吸収低減を両立させることが困難である。
【００１０】
本開示の目的は、充分な横方向の屈折率導波構造を実現しながら、ｐクラッド層での導波光吸収を低減できる窒化物半導体レーザ素子構造を提供することにある。この構造を用いることで従来のリッジストライプ型半導体レーザ素子に比べて、内部損失のより小さな窒化物半導体レーザ素子を実現し、より高出力での動作が可能な窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【００１１】
そこで、発明者らは、横方向の屈折率導波構造を、あらかじめｎ型基板にストライプ状の溝を形成し、その上に窒化物半導体レーザ素子構造を結晶成長することで実現できることを見出した。さらに、半導体レーザ素子の積層構造は、導波光のｐクラッド層側への拡がりを抑えた構造とした。これによりｐクラッド層での導波光吸収を抑制できる。横方向の屈折率導波構造とｐクラッド層での光吸収抑制を両立できる窒化物半導体レーザ素子を見出した。
【００１２】
本開示の窒化物半導体レーザ素子は、第一導電型の基板と、第一導電型の基板の第一の面に形成されたストライプ状の溝と、ストライプ状の溝を覆うように第一導電型の基板の第一の面上に形成された第一導電型のクラッド層、活性層、第二導電型のクラッド層、および第二導電型のコンタクト層を含む積層構造とを備え、活性層は、ストライプ状の溝に沿って湾曲している。
【００１３】
本開示によれば、ストライプ状の溝の内側における活性層と同じ面内で、溝の内側が高い屈折率、溝の外側で低い屈折率となる屈折率導波構造が実現できため、内部損失のより小さな窒化物半導体レーザ素子を提供できる。ひいては、より高出力での動作が可能な窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子内部の導波光分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の活性層からのＣＬ波長マッピング測定結果を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるストライプ溝の一例を示した図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子におけるストライプ溝の一例を示した図である。
【図５】図５は、第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】図６は、従来の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本開示の窒化物半導体レーザ素子について図面を参照しながら説明する。但し、詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１６】
なお、添付図面および以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するためのものであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１７】
以下、図面を用いて本開示の実施の形態について説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１００１の断面図である。基板には（０００１）面を主面とするｎ−ＧａＮ基板１０１０を用いた。このｎ−ＧａＮ基板１０１０の主面（第一の面）にドライエッチングによって深さ約１μｍのストライプ溝１０１１を形成した。このときストライプ溝１０１１の幅は２１μｍとした。
【００１９】
ストライプ溝１０１１をもつｎ−ＧａＮ基板１０１０の上に有機金属気相成長法（Ｍａｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）を用いて、レーザ素子構造を結晶成長した。すなわち、ｎ−ＧａＮクラッド層１０１２（厚さ０．１μｍ、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ＩｎＧａＮ光ガイド層およびＩｎＧａＮ多重量井戸層から構成される活性層１０１３、ＡｌＧａＮ電子ブロック層およびＡｌＧａＮクラッド層から構成されるｐ−クラッド層１０１４（厚さ０．５μｍ、Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０１５（厚さ０．０６μｍ、Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３）が順次積層されている。ｎ−ＧａＮ基板１０１０の上に積層される各層、例えば、ｎ−ＧａＮクラッド層１０１２、活性層１０１３、ｐ−クラッド層１０１４などは、ストライプ溝１０１１の形状に沿って窪みを有する。
【００２０】
上記レーザ素子構造を構成する各層の組成および層厚については、例えば表１のようになる。
【００２１】
【表１】
2015011858.tif 000003
【００２２】
なお、表１において、Ｅは１０のべき乗を表す。例えば、Ｅ＋１９は１０１９を表す。
【００２３】
結晶成長後、上記積層構造において、ストライプ溝１０１１の上に対応する位置に、ドライエッチングを用いて、電流狭窄用リッジストライプ１０１９が形成される。
【００２４】
さらに、電流狭窄用リッジストライプ１０１９の上に接してＰｄ、Ｐｔの順に積層して構成されるｐ−オーミック電極１０１６、電流狭窄用リッジストライプ１０１９の外側にＳｉＯ２よりなる絶縁膜１０１８を形成する。
【００２５】
その上にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層して構成されるｐ−パッド電極１０１７を形成して、ウェハ表面側のプロセスが完了する。
【００２６】
次に、ｎ−ＧａＮ基板１０１０の裏面（第二の面）を研磨して、薄膜化した後に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層して構成されるｎ−オーミック電極１０２０を形成する。
【００２７】
最後に、ウェハを劈開して、ファブリペロー共振器を形成してレーザ素子構造が完成する。
【００２８】
次に、窒化物半導体レーザ素子１００１の機能について述べる。
【００２９】
窒化物半導体レーザ素子１００１の活性層１０１３は基板に形成したストライプ溝１０１１によって湾曲している。そのため、図１に示すように、窒化物半導体レーザ素子１００１を水平にスライスする点線Ａ−Ａ‘において、ストライプ溝１０１１の内部と外部では異なる層が存在する。すなわち、ストライプ溝１０１１の側壁より内側ではＩｎＧａＮ活性層１０１３が、ストライプ溝１０１１の側壁より外側ではｎ−ＧａＮ基板１０１０がそれぞれ存在する。ＩｎＧａＮ活性層の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも高いため、点線Ａ−Ａ’において、ストライプ溝１０１１の内部で高屈折率、ストライプ溝１０１１の外部で低屈折率となる屈折率導波構造が形成される。
【００３０】
なお、本開示において湾曲とは、直角に折れ曲がるのではなく、例えばＲ状などのカーブを備えて折れ曲がる形状や、弓なりに曲がる形状を含む。
【００３１】
リッジストライプを用いた従来型の窒化物半導体レーザ素子では、ｐクラッド層側に拡がった導波光が低屈折率の絶縁膜に到達することで横方向の屈折率導波構造を実現しているのとは大きく異なる。本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００１では、導波光のｐ−クラッド層側への分布を小さくしても横方向の屈折率導波にはほとんど影響がない。そのため、ｐ−クラッド層１０１４にＡｌＧａＮ、ｎ−クラッド層１０１２にＧａＮをそれぞれ用いており、縦方向の導波光の分布をｎ−クラッド層１０１２側に引き寄せる層構造設計となっている。
【００３２】
図２は本実施形態の構成による導波光分布のシミュレーション結果である。水平横モードは基本モードのみを考慮して計算している。導波光は、ｎ−クラッド層側に大きく分布している。一方、横方向の実効屈折率差Δｎは３．４×１０−３となっている。この値は、レーザ発振中の横モードを安定的に維持するのに充分な大きさである。
【００３３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子１００１においても、素子のシリーズ抵抗を低減するために、ｐ−クラッド層１０１４には高濃度（１×１０１９ｃｍ−３）のＭｇドープが必要である。したがって、ｐ−クラッド層１０１４に拡がった導波光の吸収損失は大きい。ｎ−クラッド層１０１２は、ｎ型不純物であるＳｉの活性化率が高いため、比較的低い濃度（５×１０１７ｃｍ−３）のＳｉドープとなっている。そのため、ｎ−クラッド層１０１２に拡がった導波光の吸収損失は小さい。光吸収損失低減の観点からは、導波光はｎ−クラッド層側に拡がるほうが有利である。すなわち、ｎ−ＧａＮ基板１０１０やｎ−クラッド層１０１２のｎ型不純物の濃度が、ｐ−クラッド層１０１４のｐ型不純物濃度よりも低いことにより、窒化物半導体レーザ素子１００１の縦方向の光分布を不純物濃度の低い方により大きく分布させて、素子内部の光吸収による損失を低減できる。
【００３４】
導波路設計では、ストライプ溝の幅も重要なパラメータである。本実施形態では、ストライプ溝１０１１の幅は２１μｍとした。その後、結晶成長を行なうと、積層構造表面における溝の幅は１６μmにまで狭くなる。これは、ストライプ溝１０１１の側面から横方向成長が進行するためである。結晶成長の条件（温度、ガス流量、成長圧力）や積層構造の厚さや組成によって、この横方向成長の長さは変わるため、デバイス設計値に応じて基板のストライプ溝１０１１の幅は変更する必要がある。たとえばストライプ溝の幅が狭すぎると、結晶成長工程で表面が平坦化し、充分な横方向の実装屈折率差Δｎを得られない可能性がある。
【００３５】
また、積層構造の厚さも重要なパラメータとなる。活性層１０１３を成長する前に、ｎ−クラッド層１０１２が厚すぎると、このｎ−クラッド層１０１２を成長した時点でストライプ溝が平坦化し、やはり充分なΔｎを得られない。
【００３６】
次にストライプ溝１０１１の深さについて述べる。図３は、結晶成長後の活性層１０１３から、発光波長分布をカソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて調べた結果である。測定は、ウェハ表面から電子線を入射し、活性層１０１３で発生した発光を分光して、そのピーク波長の面内分布をプロットしたものである。波長分布を見やすくするため、ストライプ溝１０１１の幅が６４μmとなるように形成した部位で本測定を行なった。
【００３７】
この図から、ストライプ溝１０１１の内側に相当する部分では、ピーク波長３８０ｎｍ程度の発光が得られた。一方、ストライプ溝１０１１の外側に相当する部分では、ピーク波長３９０ｎｍの発光が得られた。これは、ストライプ溝１０１１の内側では、活性層であるＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が少なくなっていることを示している。この現象は、ストライプ溝の深さや結晶成長層の厚さを変えても発生する。デバイス設計上は注意が必要となる。すなわち、導波路の中心となるストライプ溝１０１１で発生、伝播した光が、ストライプ溝１０１１の外側の領域にまで拡がって分布した場合、ストライプ溝１０１１の外側の領域にある活性層１０１３で吸収される恐れがあるからである。
【００３８】
図４Ａ、図４Ｂは、導波路の外側での光吸収損失を模式的に説明した図である。図４Ａは、深いストライプ溝１０１１を用いた場合の窒化物半導体レーザ素子１００１の断面図である。上述の例のようにストライプ溝１０１１の深さを１μｍ程度にした場合である。図中点線の楕円は、窒化物半導体レーザ素子中での導波光１０８０の分布を模式的に示している。
【００３９】
ここで、導波光の縦方向の分布を考える。導波光は、活性層１０１３を中心にｐ−クラッド層１０１４とｎ−クラッド層１０１２に拡がって分布する。上述のように、積層構造の設計によって、その分布をｐ−クラッド層１０１４側やｎ−クラッド層１０１２側に意図的に引き寄せることができるが、どちらかの層への分布を全くゼロにすることはできない。本実施形態のコンセプトは、導波光の分布をｎ−クラッド層１０１２側に寄せて、ｐ−クラッド層１０１４での光吸収損失を低減することにあるが、ｐ−クラッド層１０１４への導波光の拡がりが全くなくなるわけではない。そのため、ｐ−クラッド層１０１４の厚さは０．５μｍ程度に設計されている。つまり、ｐ−クラッド層１０１４への導波光の拡がりは活性層１０１３から０．５μｍ離れれば、実用上無視できる程度に小さくなることがわかっている。逆に言えば、活性層１０１３から０．５μｍ以下の距離では無視できない導波光の分布があると言うことになる。
【００４０】
一方、横方向の導波光分布についても同様のことが言える。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子１００１は、ストライプ溝１０１１によって活性層１０１３が湾曲することで横方向の屈折率導波構造を実現している。しかし、ストライプ溝の外側にもやはり無視できない強度の導波光の拡がりが発生する。
【００４１】
図４Ａのように深いストライプ溝１０１１を用いた場合、ストライプ溝１０１１の外側に導波光が拡がっても、ストライプ溝外側の活性層１０１３は、縦方向に充分離れた位置に存在するので、光吸収による損失が発生する恐れはない。
【００４２】
図４Ｂは、浅いストライプ溝１０１１ａを用いて窒化物半導体レーザ素子１００１ａを構成した場合のレーザ素子断面と導波光の分布を模式的に示した図である。ストライプ溝１０１１ａの深さは、たとえばｐ−クラッド層１０１４の厚さよりも薄い０．２μｍとする。この場合、ストライプ溝１０１１ａの外側にある活性層１０１３で光吸収が発生する可能性がある。ストライプ溝１０１１ａの外側に拡がった導波光１０８０の一部が、ストライプ溝１０１１ａの外側に存在する活性層１０１３と空間的に重なり、吸収損失領域１０８５を形成する。
【００４３】
この現象を避けるためには、ストライプ溝１０１１の深さを深くすることが必要である。上述のように、ｐ−クラッド層１０１４の方向への導波光の拡がりを、最大でもｐ−クラッド層１０１４の厚さ程度と想定できる。そこで、ストライプ溝１０１１の深さがｐ−クラッド層１０１４の厚さ以上あれば、原理的にストライプ溝１０１１の外側に拡がった光が、ストライプ溝１０１１の外側に存在する活性層１０１３と重なることがない。そして、ストライプ溝１０１１の外側での導波光の吸収損失の発生を抑制できる。
【００４４】
次に、図１に示した電流狭窄用リッジストライプ１０１９の機能について述べる。電流狭窄用リッジストライプ１０１９は、結晶成長後に積層構造のストライプ溝１０１１の上に対応する位置に、ドライエッチングを用いて形成される。この電流狭窄用リッジストライプ１０１９の外部では、少なくともｐ−コンタクト層１０１５の一部または全部が除去されていることが望ましい。ｐ−コンタクト層１０１５は高濃度にＭｇがドープされており、電気的に低抵抗である。そのため、ｐ−パッド電極１０１７およびｐ−オーミック電極１０１６を通じて積層構造の表面から導入された電流（正孔）は、容易に横方向に拡散する。その結果、ストライプ溝１０１１の外部に存在する活性層１０１３にまで電流が拡散する恐れがある。
【００４５】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ストライプ溝１０１１の内側に形成された活性層１０１３から発生した光をストライプ溝１０１１の内側に閉じ込めて増幅することで動作する。したがって、ストライプ溝１０１１の外側に注入された電流はレーザ発振に直接寄与しない無効な電流となる。電流狭窄用リッジストライプ１０１９は、この無効電流の発生を避けるために形成される。電流狭窄用リッジストライプ１０１９の幅は、少なくともストライプ溝１０１１の幅よりも狭いことが必要である。電流狭窄用リッジストライプ１０１９の幅を、少なくともストライプ溝１０１１の幅よりも狭くすることで、活性層１０１３に注入される電子−正孔対が、ストライプ溝１０１１の内側に狭窄され、より効率的に導波光を増幅できるようになる。
【００４６】
これまでに述べた窒化物半導体レーザ素子１００１の内部損失係数αiを計測したところ、αiは１．８ｃｍ−１という値が得られた。さらに、光出力６Ｗ以上までの領域にわたってキンクの発生が抑制された電流−光出力特性が得られた。従来型のリッジストライプとＳｉＯ２絶縁膜により構成されたレーザ素子では、４．２ｃｍ−１程度のαｉだったものに比べて、素子内部の光吸収による内部損失を半分以下にできることがわかった。
【００４７】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、基板にストライプ状の溝を形成した後にレーザ素子の層構造を結晶成長させて得る窒化物半導体レーザ素子について説明した。
【００４８】
第２の実施形態では、平坦基板に形成したクラッド層にストライプ状の溝を形成して得る窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【００４９】
図５は、第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１１０１の断面図である。基板には（０００１）面を主面とするｎ−ＧａＮ基板１１１０を用いた。この基板の主面上に第一のｎ−ＧａＮクラッド層１１１２ａ（厚さ３μｍ、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）を有機金属気相成長法にて形成した。その後、第一のｎ−ＧａＮクラッド層１１１２ａの表面に、ドライエッチングによって深さ約１μｍのストライプ溝１１１１を形成した。ストライプ溝１１１１の幅は２１μｍとした。
【００５０】
その後、第１の実施形態と同様にレーザ素子構造を結晶成長した。すなわち、第二のｎ−ＧａＮクラッド層１１１２ｂ（厚さ０．１μｍ、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、ＩｎＧａＮ光ガイド層およびＩｎＧａＮ多重量井戸層から構成される活性層１１１３、ＡｌＧａＮ電子ブロック層およびＡｌＧａＮクラッド層から構成されるｐ−クラッド層１１１４（厚さ０．５μｍ、Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３）、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１５（厚さ０．０６μｍ、Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３）を順次積層した。
【００５１】
上記の結晶成長後に、ストライプ溝１１１１の上に対応する位置に、ドライエッチングを用いて、電流狭窄用リッジストライプ１１１９が形成される。
【００５２】
さらに、電流狭窄用リッジストライプ１１１９の上に接してＰｄ、Ｐｔの順に積層して構成されるｐ−オーミック電極１１１６、電流狭窄用リッジストライプ１１１９の外側にＳｉＯ２よりなる絶縁膜１１１８を形成する。
【００５３】
その上にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層して構成されるｐ−パッド電極１１１７を形成して、ウェハ表面側のプロセスが完了する。
【００５４】
次に、ｎ−ＧａＮ基板１１１０の裏面（第二の面）を研磨して、薄膜化した後に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層して構成されるｎ−オーミック電極１１２０を形成する。
【００５５】
最後に、ウェハを劈開して、ファブリペロー共振器を形成してレーザ素子構造が完成する。
【００５６】
この窒化物半導体レーザ素子１１０１は、第１の実施形態に示した窒化物半導体レーザ素子とほぼ同一の屈折率導波構造および電流狭窄構造を有する。したがって、ほぼ同じ特性の窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
【００５７】
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子１１０１は、結晶成長を２回行なって作製する必要がある。しかし、たとえば、第一のｎ−クラッド層にＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮを使えば、所望の光分布を得るために屈折率を制御することができる。
【００５８】
本実施形態では、ストライプ溝１１１１の側壁より内側ではＩｎＧａＮ活性層１１１３が、ストライプ溝１１１１の側壁より外側ではＧａＮからなる第一ｎ−クラッド層１１１２ａがそれぞれ存在する。ＩｎＧａＮ活性層の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも高いため、図５の点線Ａ−Ａ’において、ストライプ溝１１１１の内部で高屈折率、ストライプ溝１１１１の外部で低屈折率となる屈折率導波構造が形成される。結果として、横方向の実効屈折率差Δｎは３．４×１０−３となる。たとえば、第一のｎ−クラッド層にＧａＮよりも屈折率の小さなＡｌＧａＮを用いるとΔｎをより大きくする設計が可能になる。
【００５９】
なお、上記第１、第２の実施形態において、窒化物半導体レーザ素子１００１を構成する各層の組成や層厚は、本文および表１に記載の値に限られない。また、各層のＭｇ濃度やＳｉ濃度上記に限られない。これらの値は一例であって、必要とする発光波長に応じ組成や層厚、不純物濃度を適宜選択することができる。
【００６０】
また、ストライプ溝１０１１の深さや幅は上記に限られず、窒化物半導体レーザ素子を構成する各層の組成や層厚等に応じ、ストライプ溝１０１１の深さや幅を適宜決めてもよい。以上のように、本出願において開示する技術の例示として、第１、第２の実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記第１の実施形態および変形例で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
【００６１】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００６２】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００６３】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本開示の窒化物半導体レーザ素子は、光出力が必要な装置に適用でき、特に、レーザディスプレイやプロジェクタなどの画像表示装置や、レーザ加工やレーザアニールなどの産業用のレーザ機器などの比較的高い光出力が必要な装置に有効である。
【符号の説明】
【００６５】
１００１，１００１ａ，１１０１，２００１    窒化物半導体レーザ素子
１０１０，１１１０，２０１０    ｎ−ＧａＮ基板
１０１１，１０１１ａ，１１１１    ストライプ溝
１０１２    ｎ−クラッド層
１１１２ａ    第一のｎ−ＧａＮクラッド層
１１１２ｂ    第二のｎ−ＧａＮクラッド層
１０１３，１１１３，２０２２    活性層
１０１４，１１１４    ｐ−クラッド層
１０１５，１１１５    ｐ−コンタクト層
１０１６，１１１６    ｐ−オーミック電極
１０１７，１１１７    ｐ−パッド電極
１０１８，１１１８，２０３０    絶縁膜
１０１９，１１１９    電流狭窄用リッジストライプ
１０２０，１１２０    ｎ−オーミック電極
１０８０    導波光
１０８５    吸収損失領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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