(57)【要約】【課題】低しきい値電流、高スロープ効率特性を維持したまま、信頼性が高く長寿命の、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを提供する。【解決手段】ｎ側クラッド層２と、その上のｎ側光導波層３と、その上の活性層４と、その上のｐ側光導波層５、６と、その上の電子障壁層７と、その上のｐ側クラッド層８とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、ｐ側光導波層６の上部、電子障壁層７およびｐ側クラッド層８にリッジストライプ１０を形成し、電子障壁層７とリッジストライプ１０の両側の部分の底面との間の距離を１０ｎｍ以上とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上である
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
上記リッジストライプの両側の部分の底面と上記活性層との間の距離が１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
上記電子障壁層と上記活性層との間の距離が１１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項５】
上記ｐ側光導波層はＩｎおよびＧａを含むアンドープまたはｎ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とその上のＡｌおよびＧａを含むアンドープまたはｎ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とからなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項６】
上記電子障壁層はＡｌおよびＧａを含むｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項７】
基板上に、ｎ側クラッド層、ｎ側光導波層、活性層、ｐ側光導波層、電子障壁層およびｐ側クラッド層を順次成長させる工程と、
上記ｐ側クラッド層、上記電子障壁層および上記ｐ側光導波層の上部をパターニングすることによりリッジストライプを形成し、この際、上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上となるようにする工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
上記ｐ側クラッド層、上記電子障壁層および上記ｐ側光導波層の上部をドライエッチングによりパターニングすることにより上記リッジストライプを形成することを特徴とする請求項７記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
光源に半導体レーザを用いた光ピックアップにおいて、
上記半導体レーザとして、
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上であるものを用いた
ことを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１０】
光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
上記半導体レーザとして、
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上であるものを用いた
ことを特徴とする光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ、半導体レーザの製造方法、光ピックアップおよび光ディスク装置に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたリッジストライプ型半導体レーザならびにこれを光源に用いる光ピックアップおよび光ディスク装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
高密度光ディスク装置では、光源として発光波長が４００ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザが用いられている。図１３にこのような従来のＧａＮ系半導体レーザの一例を示す（例えば、非特許文献１および特許文献１参照。）。図１３に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光導波層１０３、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ（量子井戸層）／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層１０４、アンドープＩｎＧａＮ光導波層１０５、アンドープＡｌＧａＮ光導波層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層１０８の上部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９には、一方向（共振器長方向）に直線状に延在してリッジストライプ１１０が形成されている。このリッジストライプ１１０の両側面およびその外側の部分のｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層１０８上に延在してＳｉＯ2 膜１１１およびその上のアンドープＳｉ膜１１２が形成されている。リッジストライプ１１０のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９にオーミックコンタクトしてｐ側電極１１３が形成されている。このｐ側電極１１３はアンドープＳｉ膜１１２上に延在して形成され、また、一方の共振器端面から他方の共振器端面にわたって、すなわち共振器長方向の全長にわたって形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面にｎ側電極１１４がオーミックコンタクトして形成されている。
【０００３】
このＧａＮ系半導体レーザにおいては、内部損失の低減、すなわち、しきい値電流およびスロープ効率の改善を行うために、活性層１０４の井戸層とｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７との間の距離を１００ｎｍ程度離すようにしており、これによって内部損失を３０ｃｍ-1から１２ｃｍ-1まで低減することに成功している。これに伴い、しきい値電流は３８ｍＡから３０ｍＡへ低減し、スロープ効率は１Ｗ／Ａから１．４Ｗ／Ａまで向上している。
【０００４】
【非特許文献１】高橋清（監修）、ワイドギャップ半導体光・電子デバイス、森北出版（２００６）第２０３頁〜第２１３頁
【特許文献１】特開２００３−２８９１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者は、上述の従来のＧａＮ系半導体レーザは、製造工程のばらつきにより、寿命が短くなってしまうという課題を見出した。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、低しきい値電流、高スロープ効率特性を維持したまま、信頼性が高く長寿命の、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザおよびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、この半導体レーザを光源に用いた光ピックアップおよび光ディスク装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、この発明を案出するに至った。その概要を説明すると次のとおりである。
すなわち、上述の従来のＧａＮ系半導体レーザのうち寿命が短いものの劣化解析を行ったところ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９およびｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層１０８の上部をドライエッチングすることによりリッジストライプ１１０を形成した際に、このリッジストライプ１１０の両側の脇の部分のｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７やその下のアンドープＡｌＧａＮ光導波層１０６などにドライエッチングによるダメージが入って欠陥が形成され（図１４に、ダメージが入った領域を点描を付した領域で示す）、動作時にｐ側電極１１３とｎ側電極１１４との間に電流を流したときにこのリッジストライプ１１０の両側の脇の部分に流れる電流がｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７やその下のアンドープＡｌＧａＮ光導波層１０６などの欠陥を増殖させ、ＧａＮ系半導体レーザの劣化が促進されることを見出した。このドライエッチングによるダメージの量は、ドライエッチング工程におけるエッチングのばらつきによるダメージの入り方の違いや、レーザ構造を形成する層の結晶成長の工程における結晶品質のばらつきなどにより変動し、制御が極めて難しい。
【０００７】
本発明者は、独自に得た上記の知見に基づき、リッジストライプ１１０の深さを変えてＧａＮ系半導体レーザの劣化を調べた結果、リッジストライプ１１０を深く形成するほど劣化が少なくなる傾向にあり、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７を完全に突き抜け、しかもリッジストライプ１１０の両側の部分の底面がｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１０７の下面から１０ｎｍ以上の深さになるようにすると、劣化が激減することを見出し、この発明を案出するに至った。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上である
ことを特徴とするものである。
【０００９】
第２の発明は、
基板上に、ｎ側クラッド層、ｎ側光導波層、活性層、ｐ側光導波層、電子障壁層およびｐ側クラッド層を順次成長させる工程と、
上記ｐ側クラッド層、上記電子障壁層および上記ｐ側光導波層の上部をパターニングすることによりリッジストライプを形成し、この際、上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上となるようにする工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００１０】
第３の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ピックアップにおいて、
上記半導体レーザとして、
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上であるものを用いた
ことを特徴とするものである。
【００１１】
第４の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
上記半導体レーザとして、
ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上のｎ側光導波層と、
上記ｎ側光導波層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側光導波層と、
上記ｐ側光導波層上の電子障壁層と、
上記電子障壁層上のｐ側クラッド層とを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、
上記ｐ側光導波層の上部、上記電子障壁層および上記ｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、
上記電子障壁層と上記リッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上であるものを用いた
ことを特徴とするものである。
【００１２】
ｎ側クラッド層、ｎ側光導波層、活性層、ｐ側光導波層、電子障壁層およびｐ側クラッド層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的には、ＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる。これらのｎ側クラッド層、ｎ側光導波層、活性層、ｐ側光導波層、電子障壁層およびｐ側クラッド層は、典型的には、基板上にこれらの順に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法により成長させることができるが、これに限定されるものではない。この基板は、導電性半導体基板、特に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板（最も典型的にはＧａＮ基板）を用いるのが好ましいが、サファイア基板などの絶縁性基板であってもよい。導電性半導体基板を用いる場合、典型的には、ｎ側電極がその裏面に形成される。ｐ側電極は、典型的には、ｐ側クラッド層上に設けられるｐ型コンタクト層上に形成される。
【００１３】
半導体レーザの劣化をより確実に防止する観点より、電子障壁層とリッジストライプの両側の部分の底面との間の距離は２０ｎｍ以上とするのが好ましい。一方、リッジストライプの形成時にこのリッジストライプの両側の部分の底面に入るダメージによる活性層の劣化を防止する観点より、リッジストライプの両側の部分の底面と活性層との間の距離は１００ｎｍ以上とするのが好ましい。また、半導体レーザの内部損失を低減し、しきい値電流を低減し、スロープ効率を向上させる観点より、電子障壁層と活性層との間の距離は１１０ｎｍ以上とするのが好ましく、一方、電子障壁層と活性層との間の距離が３００ｎｍを超えると内部量子効率が低下するため３００ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００１４】
ｐ側光導波層は、好適な一例では、ＩｎおよびＧａを含むアンドープまたはｎ型（好適にはライトドープのもの）の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（例えば、アンドープまたはｎ型のＩｎＧａＮ層）とその上のＡｌおよびＧａを含むアンドープまたはｎ型（好適にはライトドープのもの）の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（例えば、アンドープまたはｎ型のＡｌＧａＮ層）とからなるが、一般的には、アンドープまたはｎ型のＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層などのうちの一層または二層以上を組み合わせたものにより構成される。電子障壁層は、一般的にはＡｌおよびＧａを含むｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であり、好適にはＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０．１５≦ｘ＜１）である。
リッジストライプは、典型的には、ｐ側クラッド層、電子障壁層およびｐ側光導波層の上部をドライエッチングによりパターニングすることにより形成する。
【００１５】
ところで、従来、ＧａＮ系半導体レーザのｐ側電極としては、主としてＮｉ系の電極またはＰｄ、Ｐｔ系の電極（例えば、特開平１０−３０３５０４号公報、特開平１０−４１２５４号公報、特開２００２−３３５０４８号公報参照。）が用いられている。このうちＮｉ系の電極では、電極形成後にアロイ工程を行うとｐ側電極のコンタクト抵抗の低減を図ることができるが、Ｐｄ、Ｐｔ系の電極では、３００℃以上の温度でアロイ工程を行うとｐ側電極のコンタクト抵抗が逆に増加する。このため、図１３に示すＧａＮ系半導体レーザのｐ側電極１１３としてＰｄ、Ｐｔ系の電極を用いる場合には、電極形成後にアロイ工程を行わないようにしている。しかしながら、本発明者の知見によれば、上述のようにｐ側電極１１３の形成後にアロイ工程を行わない場合には、ｐ側電極１１３のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９に対する密着性が不十分であることから、レーザ構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１をこのｎ型ＧａＮ基板１０１側から劈開して共振器端面を形成する際にこの共振器端面付近のｐ側電極１１３が剥がれたり、剥がれかかった状態となることにより、通電時にこのｐ側電極１１３の部分で発熱が起き、ＧａＮ系半導体レーザの故障に繋がるという問題があった。特に、ＧａＮ系半導体レーザを高出力で使用する場合にはこの問題は深刻である。一例として、ｐ側電極１１３が（Ｐｄ／Ｐｔ）／（Ｔｉ／Ｐｔ／Ｎｉ）＝（５０ｎｍ／１００ｎｍ）／（１０ｎｍ／１００ｎｍ／１００ｎｍ）の５層の金属膜の積層金属膜からなる場合の共振器端面付近のｐ側電極１１３およびリッジストライプ１１０の部分の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図１５に示す。図１５に示すように、劈開により形成された共振器端面付近において、ｐ側電極１１３（図１５中では単に電極と示す）に劈開時に引っ張られた形跡が観測されるとともに、ｐ側電極１１３とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９（図１５中では単に半導体と示す）との間に１０ｎｍ程度の厚さの隙間が観測される。また、この図１５に示す構造のＧａＮ系半導体レーザにおいて高出力を得るために電流を増加させると、図１６に示すように、共振器端面付近のｐ側電極１１３がほとんど剥がれて破壊する現象が見られた。このように、レーザ構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１を劈開して共振器端面を形成する際に、この共振器端面付近のｐ側電極１１３が剥がれたり、剥がれかかった状態となるのを防止するためには、（１）ｐ側電極１１３の形成後にアロイ工程を導入してｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とｐ側電極１１３との密着性を向上させること、（２）劈開時の応力を低減すること、（３）劈開時の応力をｐ側電極１１３とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９との界面に伝えないようにすること、などの対策が考えられる。（１）では、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とｐ側電極１１３とのアロイ化（合金化）を行うことによって一般的には密着性を向上させることができるが、すでに述べたようにｐ側電極１１３のコンタクト抵抗が悪化するという弊害がある。また、（２）、（３）では、劈開時には硬いＧａＮ系半導体結晶を割ることになるので、ある程度の応力を発生させる必要があり応力低減には限界がある一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の厚さを小さくすることで応力を低減することは可能であるが、こうするとｎ型ＧａＮ基板１０１が割れやすくなり、歩留まりが著しく低下する。従って、ｐ側電極１１３としてＰｄ、Ｐｔ系の電極を用いる場合のように、アロイを行わない（ノンアロイ）条件で、劈開時の応力をｐ側電極１１３とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９との界面に伝えず、かつ、ｐ側電極１１３のコンタクト抵抗の低減を実現する特有の電極構造が必要となる。
【００１６】
本発明者は、この点を考慮して鋭意検討を行った結果、リッジストライプ、より一般的には窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にアロイ工程を伴わずに形成する電極としてｎ層（ｎは２以上の整数）の金属膜を含む金属積層膜を用い、この金属積層膜の合計の厚さを３００ｎｍ以上にすることに加えて、この金属積層膜に対し以下のように定義される等価平均剛性率を５５ＧＰａ以下に設定することにより、劈開後の共振器端面付近のｐ側電極１１３がｐ型ＧａＮコンタクト層１０９から剥がれたり、剥がれかかったりしないようにすることができることを見出した。すなわち、リッジストライプ上にｐ側電極をそれらの界面で合金化処理することなく（ノンアロイで）形成する場合、このｐ側電極の少なくとも一部分を、ｎ層（ｎは２以上の整数）の金属膜を含む金属積層膜であって、この金属積層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上であり、かつ、この金属積層膜の下からｉ番目の金属膜の剛性率および厚さをそれぞれＧi およびｔi とし、この金属積層膜の等価平均剛性率を
【数１】
2008124110.tif 000003
と定義したとき、Ｇe ≦５５ＧＰａであるものにより形成するのが、ｐ側電極の剥がれを防止するのに有効である。好適には、ｐ側電極を構成する金属積層膜の合計の厚さを５００ｎｍ以上、かつ、Ｇe ≦５０ＧＰａとするが、これに限定されるものではない。
【００１７】
ｐ側電極を構成する金属積層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上であり、かつ、Ｇe ≦５５ＧＰａであり、合金化処理を伴わずにリッジストライプ上に形成してオーミックコンタクトさせることができるものである限り、この金属積層膜に含まれる金属膜の層数ｎ、各金属膜の構成金属の種類および厚さは、基本的には自由に選ぶことができる。いくつかの金属のヤング率および剛性率を挙げると下記のとおりであり、ヤング率と剛性率との関係を図示すると図１７に示すとおりである。また、参考のために、これらの金属の線膨張係数を図１８に示す。
【００１８】
ヤング率（×１０10Ｐａ）    剛性率（×１０10Ｐａ）
Ｐｄ            １１．３                    ５．１１
Ｐｔ            １６．８                    ６．１
Ａｕ              ７．８                    ２．７
Ｔｉ            １１．５７                  ４．３８
Ｎｉ            ２１．９                    ８．３９
Ａｌ              ７．０３                  ２．６１
Ａｇ              ８．２７                  ３．０３
Ｓｎ              ４．９９                  １．８４
ＧａＮ（参考）  １５
【００１９】
ｐ側電極を構成する金属積層膜は、典型的には、Ｐｄ、ＰｔおよびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種類あるいは２種類の金属を含み、典型的には、この金属積層膜を構成するｎ層の金属膜が互いに混ざり合っていない。また、この金属積層膜に含まれるｎ層の金属膜は、互いに異なる金属からなるものであってもよいし、互いに同一の金属からなる金属膜を２層以上含むものであってもよい。この金属積層膜の最下層の金属膜は、アロイ工程を行わずにリッジストライプと密着してオーミックコンタクトすることができる金属からなり、典型的にはＰｄまたはＰｔからなるが、これに限定されるものではない。ｐ側電極は、典型的には、一方の共振器端面から他方の共振器端面にわたって、すなわち共振器長方向の全長にわたって設けられるが、共振器長方向に、上記の諸条件を満たさない金属多層膜により構成される部分を含んでもよい。また、ｐ側電極は、共振器長方向と垂直方向にも、上記の諸条件を満たさない金属多層膜により構成される部分を含んでもよい。具体的には、例えば、ｐ側電極が、合計の厚さが３００ｎｍより薄い金属多層膜により構成される部分を含んだり、Ｇe ＞５５ＧＰａの金属多層膜により構成される部分を含んだりしてもよい。共振器端面を形成するための劈開時の電極の剥がれを有効に防止する観点から、好適には、ｐ側電極のうちの共振器端面から共振器長方向に少なくとも１００μｍ以内の部分が上記の諸条件を満たす金属積層膜からなるが、これに限定されるものではない。
【００２０】
一方、高密度光ディスク装置の光源として用いられるＧａＮ系半導体レーザにおいては戻り光雑音を低減する必要があり、この方策の１つとして、セルフパルセーション動作を起こさせる手法がある。このようなセルフパルセーション動作を実現するために、可飽和吸収層を光導波層やクラッド層に設け、この可飽和吸収層にドーピングを行う方法が提案されている（例えば、特開平９−１９１１６０号公報参照。）。しかし、本方式に対しては、温度に対するセルフパルセーション動作の不安定性が課題として指摘されている（例えば、特開２００３−３１８９８号公報参照。）。さらに、可飽和吸収層の厚さ、光閉じ込め係数、活性層と可飽和吸収層との距離などの選定や、活性層と可飽和吸収層との間へのワイドギャップ半導体の挿入によりセルフパルセーション動作を可能とすることが提案されている（例えば、特開２００３−３１８９８号公報および特開２００３−２１８４５８号公報参照。）。しかしながら、これらの条件を用いても、セルフパルセーション動作する半導体レーザを安定に得ることはできない。例えば、可飽和吸収層とｐ型ＡｌＧａＮ層との間にｐ型ＧａＮ層を導入しただけでセルフパルセーション動作をしなくなったことが報告されており（例えば、Appl. Phys. Lett. 83, 1098(2003)参照。）、ｐ型ＡｌＧａＮ層と可飽和吸収層との界面におけるキャリアの再結合の促進とピエゾ効果によるキャリアのトンネルとが可飽和吸収層のキャリア寿命時間を実効的に短くし、セルフパルセーション動作に寄与していると結論づけている。いずれにしても、このような不安定性は、セルフパルセーション動作をするＧａＮ系半導体レーザの量産を行う際に大きな課題となる。そこで、この課題を解決すべく鋭意検討を行った。その概要を説明すると次のとおりである。すなわち、Appl. Phys. Lett. 83, 1098(2003)において、セルフパルセーション動作が不安定になっている理由は、可飽和吸収層のキャリア寿命時間の低減が不十分であることによる。従って、上記の課題を解決するためには、可飽和吸収層におけるキャリア寿命時間を実効的に短くすることが必要である。キャリア寿命時間を短くするには、キャリア再結合過程を増やすことが重要であるが、本発明者は、このためにドライエッチングによるダメージを可飽和吸収層に積極的に導入することが最も有効かつ簡便であると考え、実験的に最適条件を見出した。具体的には、活性層とｐ側クラッド層との間に可飽和吸収層を設ける半導体レーザにおいて、横モード制御のために、ｐ側クラッド層側からドライエッチングを行うことによりリッジストライプを形成する場合、このリッジストライプの両側の部分の底面から活性層の上面までの距離を１０５ｎｍ以上、かつ、リッジストライプの両側の部分の底面から可飽和吸収層の上面までの距離を１００ｎｍ以下とすることにより、平均故障寿命（mean time to failure，ＭＴＴＦ）が最大となり、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の半導体レーザを実現することができることを見出した。そこで、安定なセルフパルセーション動作が可能で長寿命の半導体レーザを得るためには、第１〜第４の発明において、活性層と電子障壁層との間に可飽和吸収層を設け、リッジストライプの両側の部分の底面から、あるいは、ｐ側クラッド層に互いに平行にかつ互いに所定間隔離れて一対の溝を形成してその間にリッジストライプを形成する場合にはこれらの溝の底面から活性層の上面までの距離を１０５ｎｍ以上、かつ、リッジストライプの両側の部分の底面から、あるいは、これらの溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離を１００ｎｍ以下とするのが好ましい。ここで、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面から活性層の上面までの距離およびリッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離は、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面の一点を原点として活性層に向かう方向を正方向とする座標系を取った場合の距離である。リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離は１００ｎｍ以下であるが、この距離は正または０の場合（０ｎｍ以上１００ｎｍ以下）だけでなく、負の場合もある。この距離が負の場合には、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面が可飽和吸収層の上面と下面との間に位置している場合（下面上に位置している場合を含むものとする）と、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面が可飽和吸収層の下面よりも深く、活性層の上面よりも浅い所に位置している場合とがある。
【００２１】
典型的には、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面および／または側面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じている。この損傷の発生原因は問わないが、この損傷は、典型的には、このリッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝を少なくとも第２のクラッド層をドライエッチングすることにより形成した場合に発生するエッチングダメージである。リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離が１００ｎｍ以下０ｎｍ以上の場合には、もっぱらリッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じており、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面から可飽和吸収層の上面までの距離が０ｎｍよりも小さい場合、言い換えるとリッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面が可飽和吸収層の上面と下面との間に位置している場合、または、リッジストライプの両側の部分の底面あるいは溝の底面が可飽和吸収層の下面よりも深く、活性層の上面よりも浅い所に位置している場合には、リッジストライプの両側の部分の底面および側面下部の近傍またはリッジストライプの側面の近傍、あるいは、溝の底面および側面下部の近傍または溝の側面の近傍の可飽和吸収層に損傷が生じている。可飽和吸収層には必要に応じて不純物がドーピング（一般的には高濃度ドーピング）され、非発光再結合中心が形成される。
【００２２】
好適には、リッジストライプの側面、溝の内部および溝の外側の部分の層上に絶縁膜が形成される。この絶縁膜は、電気絶縁性を有しあるいは十分に高抵抗の物質からなるものであれば、基本的にはどのような物質からなるものであってもよいが、半導体レーザの静電容量低減の観点からは、誘電率が低いものが好ましい。また、この絶縁膜は、単層構造であっても二層以上の多層構造であってもよい。この絶縁膜を二層構造とする場合、上層が発振波長の光に対する吸収係数が高いもの、例えばレーザ光の波長が青紫色の波長帯のときにはアンドープのＳｉ膜が好ましく、下層は例えばＳｉＯ2 膜などである。
【００２３】
リッジストライプの両側に溝を形成し、ｐ側電極をこの溝の外側にまで広がった状態で形成する場合、好適には、リッジストライプの側面、溝の内部および溝の外側の部分のコンタクト層上に形成される絶縁膜のうち、溝の外側の部分のコンタクト層上の部分の厚さを十分に大きくする。このようにすることにより、溝の外側の部分におけるｐ側電極とｎ側電極との間隔をリッジストライプや溝の部分における間隔に比べて大きくすることができるので、これらの電極間の静電容量の低減を図ることができ、半導体レーザの高周波特性の向上を図ることができるとともに、静電リークや静電破壊を防止することができる。
光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれ、再生および／または記録の方式も特に問わない。光ピックアップはこのような光ディスク装置に用いて好適なものである。
【００２４】
上述のように構成された第１〜第４の発明においては、ｐ側光導波層の上部、電子障壁層およびｐ側クラッド層にリッジストライプが形成されており、電子障壁層とリッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上であることにより、言い換えると、電子障壁層が完全にリッジストライプ中に含まれ、しかも電子障壁層とリッジストライプの両側の部分の底面との間の距離が１０ｎｍ以上離れていることにより、リッジストライプをドライエッチングにより形成する際に入るダメージが電子障壁層やその下のｐ側光導波層に入るのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、リッジストライプをドライエッチングにより形成する際に入るダメージが電子障壁層やその下のｐ側光導波層に入るのを防止することができることにより、活性層と電子障壁層との間の距離を適切に設定して低しきい値電流、高スロープ効率特性を維持したまま、ドライエッチング工程におけるエッチングのばらつきなどによらず、信頼性が高く長寿命の、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザを実現することができる。そして、この半導体レーザを光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ（量子井戸層）／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層４、アンドープＩｎＧａＮ光導波層５、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９が順次積層されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２およびｎ型ＧａＮ光導波層３には、ｎ型不純物として例えばＳｉがドーピングされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８を構成するｐ型ＧａＮ層およびｐ型ＧａＮコンタクト層９には、ｐ型不純物として例えばＭｇがドーピングされている。アンドープＡｌＧａＮ光導波層６の上部、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９には、一方向（共振器長方向）に直線状に延在してリッジストライプ１０が形成されている。このリッジストライプ１０の両側面およびその外側の部分のｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８上に延在してＳｉＯ2 膜１１およびその上のアンドープＳｉ膜１２が形成されている。リッジストライプ１０のｐ型ＧａＮコンタクト層９にオーミックコンタクトしてｐ側電極１３が形成されている。このｐ側電極１３はアンドープＳｉ膜１２上に延在して形成され、また、一方の共振器端面から他方の共振器端面にわたって、すなわち共振器長方向の全長にわたって形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面にｎ側電極１４がオーミックコンタクトして形成されている。
【００２７】
このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７とリッジストライプ１０の両側の部分の底面との間の距離をｄ1 としたとき、ｄ1 ≧１０ｎｍとなるようにリッジストライプ１０の深さが設定されている。この場合、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７はリッジストライプ１０の中に完全に含まれている。また、リッジストライプ１０の両側の部分の底面と活性層５に含まれる量子井戸層のうちのｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７に最も近いものとの間の距離をｄ2 、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７と活性層５に含まれる量子井戸層のうちのｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７に最も近いものとの間の距離をｄ3 としたとき、ｄ2 ≧１００ｎｍかつ３００ｎｍ≧ｄ3 ≧１１０ｎｍとなるように、リッジストライプ１０の深さならびにアンドープＩｎＧａＮ光導波層５およびアンドープＡｌＧａＮ光導波層６の厚さが設定されている。
【００２８】
次に、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、ｎ型ＧａＮ基板１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、活性層４、アンドープＩｎＧａＮ光導波層５、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９を順次エピタキシャル成長させる。ここで、Ｉｎを含まない層であるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮ光導波層３、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９の成長温度は例えば１０００℃程度とし、Ｉｎを含む層であるＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層４およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層５の成長温度は例えば７００〜８００℃、例えば７３０℃とするが、これに限定されるものではない。
【００２９】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリエチルガリウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、ＴＥＧ）またはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリエチルインジウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｉｎ、ＴＥＩ）またはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはアンモニア（ＮＨ3 ）を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス（メチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）、ビス（エチルシクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ2 Ｈ5 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いるが、これに限定されるものではない。また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、例えば、Ｈ2 ガスが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
次に、例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜（図示せず）を全面に形成した後、この絶縁膜をエッチングにより所定形状にパターニングする。次に、この絶縁膜をエッチングマスクとして用いて例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングによりｐ型ＧａＮコンタクト層９、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７およびアンドープＡｌＧａＮ光導波層６の上部をエッチングすることによりリッジストライプ１０を形成する。次に、このエッチングマスクとして用いた絶縁膜をエッチング除去した後、全面にＳｉＯ2 膜１１およびアンドープＳｉ膜１２を順次形成した後、リッジストライプ１０上の部分にあるこれらの膜を選択的にエッチング除去し、リッジストライプ１０の上面を露出させる。次に、アンドープＳｉ膜１２上にリフトオフ法などによりｐ側電極１３を形成する。次に、必要に応じて、ｎ型ＧａＮ基板１をその裏面から研磨することにより、所定の厚さに薄膜化する。次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面にリフト法などによりｎ側電極１８を形成する。
この後、レーザ構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１を劈開などによりバー状に加工して共振器端面を形成し、必要に応じてこの共振器端面に端面コーティングを施し、さらにこのバーをチップ化する。
以上により、図１に示すＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００３１】
レーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などの具体例を挙げると、次のとおりである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の厚さは１．３μｍ、Ａｌ組成は０．０７である。ｎ型ＧａＮ光導波層３の厚さは０．１μｍである。活性層４の量子井戸層を構成するＧａ1-x Ｉｎx Ｎ層の厚さは３ｎｍ、Ｉｎ組成ｘは０．０８、障壁層を構成するＧａ1-y Ｉｎy Ｎ層の厚さは７ｎｍ、Ｉｎ組成ｙは０．０２であり、井戸数は３である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層５の厚さは４０ｎｍ、Ｉｎ組成は０．０２である。アンドープＡｌＧａＮ光導波層６の厚さは６０ｎｍ、Ａｌ組成は０．０２である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７の厚さは２０ｎｍ、Ａｌ組成は０．２０である。ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８の厚さは０．５μｍ、このｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８のアンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は０．１０である。ｐ型ＧａＮコンタクト層９の厚さは０．１μｍである。リッジストライプ１０の幅は例えば１．５〜２μｍである。
【００３２】
ここで、半導体レーザの電流劣化率の式Ｉop＝Ａ×ｔn （Ｉopは動作電流、Ａは定数、ｔは時間）でｎ値を定義する。図２は、リッジストライプ１０の深さを種々に変えてＧａＮ系半導体レーザを製造し、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７の下面の一点を原点として活性層４から離れる方向を正方向とする座標系を取った場合の、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７の下面からリッジストライプ１０の両側の部分の底面までの距離ｄ1 とｎ値との相関を示す。ただし、ｄ1 は、ＧａＮ系半導体レーザを共振器長方向と垂直な面に沿って劈開し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察（断面ＳＥＭ観察）することにより測定したものであり、レーザ構造を形成する層の厚さあるいはリッジストライプ１０をドライエッチングにより形成する際のエッチングのばらつきがあるため、１０ｎｍ程度の誤差がある。図２より、ｄ≦−１０ｎｍでｎ値はほぼ０となり、ｄ≦−２０ｎｍではより確実にｎ値をほぼ０とすることができ、電流劣化がほとんど生じないＧａＮ系半導体レーザが得られることが分かる。
【００３３】
図３は、ｄ1 ＝−３０ｎｍとした五つのＧａＮ系半導体レーザ（試料ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）に対して７５℃、１７ｍＷ、ＣＷ（連続発振）条件において長期寿命試験を行った結果を示す。初期のＩopの値は試料ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに対しそれぞれ４１．６９ｍＡ、４３．９５ｍＡ、４４．６２ｍＡ、４２．８６ｍＡ、４２．６８ｍＡである。図３より、これらのＧａＮ系半導体レーザでは１０００時間経過後でもＩopは初期値を維持しており、１０００時間も電流劣化が生じていないことが分かる。
【００３４】
以上のように、この第１の実施形態によれば、リッジストライプ１０をｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７を完全に突き抜けるように形成し、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７とリッジストライプ１０の両側の部分の底面との間の距離をｄ1 としたとき、ｄ1 ≧１０ｎｍとなるようにリッジストライプ１０の深さを設定していることにより、リッジストライプ１０の形成時のドライエッチングによるエッチングなどのばらつきによらず、ＧａＮ系半導体レーザの電流劣化を抑えることができ、長寿命で信頼性が高いＧａＮ系半導体レーザを得ることができる。また、リッジストライプ１０の両側の部分の底面と活性層５に含まれる井戸層のうちのｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７に最も近いものとの間の距離ｄ2 をｄ2 ≧１００ｎｍとしていることにより、低しきい値電流および高スロープ効率特性を得ることができる。
【００３５】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ側電極１３のうちの共振器端面から共振器長方向に少なくとも１００μｍ以内の部分、好適にはこのｐ側電極１３の全体が、ｎ層（ｎは２以上の整数）の金属膜を含む金属積層膜からなり、この金属積層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上でかつＧe ≦５５ＧＰａとなるように構成されている。こうすることで、共振器端面を形成するための劈開時にｐ側電極１３がｐ型ＧａＮコンタクト層９から剥がれるのを有効に防止することができる。
【００３６】
このＧａＮ系半導体レーザを製造するには、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様にしてアンドープＳｉ膜１２の形成まで終了した後、このアンドープＳｉ膜１２上にｐ側電極１３を形成する。この後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面へのｎ側電極１４の形成を経て、レーザ構造が形成されたｎ型ＧａＮ基板１を劈開によりバー状に加工して一対の共振器端面を形成し、必要に応じて端面コーティングを施し、さらにこのバーをチップ化する。この共振器端面を形成するための劈開時には、ｐ側電極１３のうちの共振器端面から共振器長方向に少なくとも１００μｍ以内の部分が上述のように合計の厚さが３００ｎｍ以上でかつＧe ≦５５ＧＰａの金属積層膜により構成されていることにより、ｐ側電極１３が剥がれるのを有効に防止することができる。
【００３７】
〈実施例〉
ｐ側電極１３を（Ｐｄ／Ｐｔ）／（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ）＝（５０ｎｍ／１００ｎｍ）／（１０ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍ／１００ｎｍ）の６層の金属膜の金属多層膜により形成した。この金属多層膜の合計の厚さは５０＋１００＋１０＋１００＋２００＋１００＝５６０ｎｍ、この金属多層膜の等価平均剛性率は
Ｇe ＝（５．１１×１０10×５０×１０-9＋６．１×１０10×１００×１０-9＋４．３８×１０10×１０×１０-9＋６．１×１０10×１００×１０-9＋２．７×１０10×２００×１０-9＋６．１×１０10×１００×１０-9）／（５０×１０-9＋１００×１０-9＋１０×１０-9＋１００×１０-9＋２００×１０-9＋１００×１０-9）
＝２６６９３／（５６０×１０-9）
＝４．７６６×１０10Ｐａ
＝４７．６６ＧＰａ
であり、金属多層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上でかつＧe ≦５５ＧＰａの条件を満たす。
このようにｐ側電極１３が（Ｐｄ／Ｐｔ）／（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ）＝（５０ｎｍ／１００ｎｍ）／（１０ｎｍ／１００ｎｍ／２００ｎｍ／１００ｎｍ）の６層の金属膜の金属多層膜からなる場合の共振器端面付近のｐ側電極１３およびリッジストライプ１０の部分の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図４に示す。図４に示すように、劈開により形成された共振器端面付近のｐ側電極１３（図４中では単に電極と示す）とｐ型ＧａＮコンタクト層９（図４中では単に半導体と示す）との間には隙間が観測されない。また、この図４に示す構造のＧａＮ系半導体レーザにおいて高出力を得るために電流を増加させた場合の共振器端面付近のｐ側電極１３の様子を観測したところ、ｐ側電極１３の剥がれは観測されず、ｐ側電極１３の破壊は何ら観測されなかった。
【００３８】
〈比較例〉
ｐ側電極１３を（Ｐｄ／Ｐｔ）／（Ｔｉ／Ｐｔ／Ｎｉ）＝（５０ｎｍ／１００ｎｍ）／（１０ｎｍ／１００ｎｍ／１００ｎｍ）の５層の金属膜からなる従来の金属多層膜により形成した。この金属多層膜の合計の厚さは５０＋１００＋１０＋１００＋１００＝３６０ｎｍ、この金属多層膜の等価平均剛性率は
Ｇe ＝（５．１１×１０10×５０×１０-9＋６．１×１０10×１００×１０-9＋４．３８×１０10×１０×１０-9＋６．１×１０10×１００×１０-9＋８．３９×１０10×１００×１０-9）／（５０×１０-9＋１００×１０-9＋１０×１０-9＋１００×１０-9＋１００×１０-9）
＝２３５８３／（３６０×１０-9）
＝６．５５×１０10Ｐａ
＝６５．５ＧＰａ
であり、金属多層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上でかつＧe ≦５５ＧＰａの条件を満たさない。
このようにｐ側電極１３が（Ｐｄ／Ｐｔ）／（Ｔｉ／Ｐｔ／Ｎｉ）＝（５０ｎｍ／１００ｎｍ）／（１０ｎｍ／１００ｎｍ／１００ｎｍ）の５層の金属膜の金属多層膜からなる場合の振器端面付近のｐ側電極１３およびリッジストライプ１０の部分の断面ＴＥＭ写真を図１５に示すとおりであり、すでに述べたように、劈開により形成された共振器端面付近のｐ側電極１３に劈開時に引っ張られた形跡が観測され、ｐ側電極１３とｐ型ＧａＮコンタクト層１１との間に１０ｎｍ程度の厚さの隙間が観測された。また、図１６に示すように、この構造のＧａＮ系半導体レーザにおいて高出力を得るために電流を増加させた場合の共振器端面付近のｐ側電極１３はほとんど剥がれ、破壊された。
【００３９】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることができる。すなわち、ｐ側電極１３のうちの共振器端面から共振器長方向に少なくとも１００μｍ以内の部分が、ｎ層（ｎは２以上の整数）の金属膜を含む金属積層膜からなり、この金属積層膜の合計の厚さが３００ｎｍ以上でかつＧe ≦５５ＧＰａとなるように構成されているので、共振器端面を形成するための劈開時にｐ側電極１３がｐ型ＧａＮコンタクト層９から剥がれたり、剥がれかかったりするのを有効に防止することができる。そして、高出力、例えば１００ｍＷ以上の出力を出すためにＧａＮ系半導体レーザに流す電流を増加させても、ｐ側電極１３がｐ型ＧａＮコンタクト層９から剥がれたり、剥がれかかったりするのを防止することができ、ｐ側電極１３の破壊を防止することができる。このため、ｐ側電極１３の破壊に起因するＧａＮ系半導体レーザの故障を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性の向上を図ることができる。
【００４０】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。このＧａＮ系半導体レーザはセルフパルセーション型ＧａＮ系半導体レーザである。図５はこのＧａＮ系半導体レーザを示す。
図５に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、アンドープＩｎＧａＮ光導波層５とアンドープＡｌＧａＮ光導波層６との間に、ｐ型ＧａＮ層の間にｐ型ＩｎＧａＮ層を挟んだ構造の可飽和吸収層１５が設けられている。アンドープＡｌＧａＮ光導波層６の上部、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９に形成されたリッジストライプ１１の両側には溝１６、１７が形成されている。これらの溝１６、１７の外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層９上に例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１８が形成されている。また、リッジストライプ１０の両側面、溝１６、１７およびその外側の部分の絶縁膜１８上に延在してＳｉＯ2 膜１１およびその上のアンドープＳｉ膜１２が形成されている。リッジストライプ１０のｐ型ＧａＮコンタクト層９にオーミックコンタクトしてｐ側電極１３が形成されている。このｐ側電極１３は溝１６、１７の外側の部分のアンドープＳｉ膜１２上に延在して形成されている。
このＧａＮ系半導体レーザの上記以外の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。
【００４１】
溝１６、１７の底面の一点を原点として活性層４に向かう方向を正方向とする座標系を取った場合の溝１６、１７の底面から活性層４の上面までの距離をｔ1 、溝１６、１７の底面から可飽和吸収層１５の上面までの距離をｔ2 としたとき、ｔ1 ≧１０５ｎｍかつ０≦ｔ2 ≦１００ｎｍとなるように溝１６、１７の深さが設定されている。その理由については後述する。一般的にはｔ1 ＜０．６μｍであり、典型的にはｔ1 ＜２００ｎｍである。溝１６、１７の幅は一般的には２５０μｍ以下、より一般的には１００μｍ以下、典型的には２０μｍ以下である。
【００４２】
レーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などの具体例は第１の実施形態と同様であるが、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７の厚さは１０ｎｍ、Ａｌ組成は０．２０であり、可飽和吸収層１５は、厚さが３ｎｍのｐ型ＧａＮ層により厚さが２ｎｍのｐ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98層を挟んだ構造を有する。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７にはＭｇが例えば１×１０19ｃｍ-3以上ドーピングされている。可飽和吸収層１５を構成するｐ型層にはＭｇが例えば５×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下ドーピングされている。
【００４３】
このＧａＮ系半導体レーザを製造するには、第１の実施形態と同様にしてｐ型ＧａＮコンタクト層９の成長まで終了した後、例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１８を全面に形成し、この絶縁膜１８をエッチングにより所定形状にパターニングする。次に、この絶縁膜１８をエッチングマスクとして用いて例えばＲＩＥなどのドライエッチングによりｐ型ＧａＮコンタクト層９、ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７およびアンドープＡｌＧａＮ光導波層６の上部をエッチングすることにより溝１６、１７を形成し、これによってリッジストライプ１０を形成する。次に、このエッチングマスクとして用いた絶縁膜１８を残したまま全面に例えばＳｉＯ2 膜１１およびアンドープＳｉ膜１２を順次形成した後、リッジストライプ１０上の部分にあるこれらの膜を選択的にエッチング除去し、リッジストライプ１０の上面を露出させる。次に、リッジストライプ１０およびアンドープＳｉ膜１２上にｐ側電極１３を形成する。次に、必要に応じて、ｎ型ＧａＮ基板１をその裏面から研磨することにより、所定の厚さに薄膜化する。
この後、第１の実施形態と同様にして劈開以降の工程を進め、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製造する。
【００４４】
このＧａＮ系半導体レーザにおいては、可飽和吸収層１５のキャリア寿命時間を短くするために、溝１６、１７を形成するために行うドライエッチングにより、Ｍｇがドーピングされたｐ型ＩｎＧａＮ層を含む可飽和吸収層１５にエッチングダメージを積極的に導入している。この場合、可飽和吸収層１５に確実にエッチングダメージを導入するために、上記のように０≦ｔ2 ≦１００ｎｍとしている。このようにエッチングダメージが導入された可飽和吸収層１５では、より多くの中間準位が形成され、この中間順位を介した非発光再結合過程が増加し、非発光再結合寿命時間が短くなる。一般にキャリア寿命時間τs は、発光再結合寿命時間τr と非発光再結合寿命時間τnrとを用いて次式のように表すことができる。
１／τs ＝１／τr ＋１／τnr
この式から、非発光再結合寿命時間τnrが短くなると、キャリア寿命時間τs も短くなることが分かる。
【００４５】
図６に、距離ｔ1 とＧａＮ系半導体レーザのＭＴＴＦ（平均素子寿命時間）との関係を測定した結果を示す。ただし、このＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一である。図６から、ｔ1 ≦１００ｎｍではＭＴＴＦが短くなることが分かる。これは、ｔ1 ≦１００ｎｍのＧａＮ系半導体レーザでは、溝１６、１７を形成するためのドライエッチング時に活性層４にエッチングダメージが導入され、その結果、寿命が急速に悪化していることに起因する。従って、溝１６、１７の底面、すなわちドライエッチング加工面から可飽和吸収層１５の上面までの距離ｔ2 をｔ2 ≦１００ｎｍ以下にすることで、可飽和吸収層１５のキャリア寿命時間を短くし、ｔ1 ≧１０５ｎｍ以上にすることでＧａＮ系半導体レーザのＭＴＴＦを十分に確保することが可能となる。
【００４６】
また、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２側から活性層４に注入され、活性層４から漏れ出る電子を抑制するために、可飽和吸収層１５と活性層４との間に、例えば厚さが６０ｎｍ、Ａｌ組成が０．０２のアンドープＡｌＧａＮ光導波層６と例えば厚さが１０ｎｍ、Ａｌ組成が０．２０のｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７との２層が設けられている。ここで、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６は、アンドープであることにより活性層４付近のエネルギーバンドをフラット化させ、Ａｌ組成が低くても活性層４から漏れ出る電子から見たキャリア障壁エネルギーを実効的に大きくしており、活性層４から漏れ出る電子をブロックする役割を果たす。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７は、アンドープＡｌＧａＮ光導波層６を超えてきた電子をブロックする役割を果たす。このように、電子ブロック層がアンドープＡｌＧａＮ光導波層６とｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層７との２段に形成されていることにより、活性層４からのキャリアオーバーフローを有効に抑えることが可能となり、このオーバーフローにより可飽和吸収層１５へ注入される電子を大幅に減らすことができる。このため、実効的に可飽和吸収層１５のキャリア寿命時間を短くする効果を得ることができる。このような構成を有するＧａＮ系半導体レーザは、信頼性が高く、安定したセルフパルセーション動作をすることが可能である。
【００４７】
図７および図８に、このＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性およびコヒーレント特性の測定結果を示す。ただし、測定に用いたＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一であり、ｔ1 ＝１４５ｎｍ、ｔ2 ＝１３ｎｍである。また、コヒーレント特性の測定は光出力を１５ｍＷにして行った。γ＝２０％である。図７から明らかなように、セルフパルセーションレーザに特有の多モード発振が確認される。また、図８に示すように、同じくセルフパルセーションレーザに特有の可干渉性低下（γ特性）が確認される。
【００４８】
図９および図１０に、比較例によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性およびコヒーレント特性の測定結果を示す。この比較例によるＧａＮ系半導体レーザにおけるレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層の厚さや組成などは上記の具体例と同一であるが、ｔ1 ＝１４５ｎｍ、ｔ2 ＝１０２ｎｍであり、ｔ1 はｔ1 ≧１０５ｎｍの条件を満たしているものの、ｔ2 は０≦ｔ2 ≦１００ｎｍの条件を満たしていない。コヒーレント特性の測定は光出力を１５ｍＷにして行った。図９から明らかなように、多モード発振が確認されることからセルフパルセーション動作はしているが、図１０から明らかなように、可干渉性低下（γ特性）は不十分であった。
【００４９】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、次のような利点を得ることができる。すなわち、安定なセルフパルセーション動作が可能で信頼性が高く長寿命のＧａＮ系半導体レーザを容易に実現することができる。また、溝１６、１７の外側の部分のｐ型ＧａＮコンタクト層９上には絶縁膜１８、ＳｉＯ2 膜１１およびアンドープＳｉ膜１２が形成されているため、これらの絶縁膜１８、ＳｉＯ2 膜１１およびアンドープＳｉ膜１２の合計の厚さだけ、溝１６、１７の外側の部分におけるｐ側電極１３とｎ側電極１４との間隔をリッジストライプ１０や溝１６、１７の部分における間隔に比べて大きくすることができる。このため、ｐ側電極１３とｎ側電極１４との間の静電容量の低減を図ることができ、ＧａＮ系半導体レーザの高周波特性の向上を図ることができるとともに、静電リークや静電破壊を防止することができる。
【００５０】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
図１１に示すように、このＧａＮ系半導体レーザは、溝１６、１７の底面が可飽和吸収層１５の上面と下面との間に位置していることを除いて、第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構成を有する。この場合、溝１６、１７の底面および側面下部の近傍の可飽和吸収層１５にエッチングダメージが生じている。
この第４の実施形態によれば、第１および第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５１】
次に、この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
図１２に示すように、このＧａＮ系半導体レーザは、溝１６、１７の底面が可飽和吸収層１５の下面より下側に位置していることを除いて、第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構成を有する。この場合、溝１６、１７の側面近傍の可飽和吸収層１５にエッチングダメージが生じている。
この第５の実施形態によれば、第１および第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５２】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板、プロセスなどを用いてもよい。
また、必要に応じて、上述の第１〜第５の実施形態のうちの二以上を組み合わせてもよい。
なお、溝１６、１７の底面から可飽和吸収層１５の上面までの距離ｔ2 をｔ2 ＞１０５ｎｍに選び、これらの溝１６、１７にイオン注入を行うことによりこれらの溝１６、１７の底面の下方の可飽和吸収層１５に例えばドライエッチングによるエッチングダメージと同程度の損傷を生じさせることによっても、可飽和吸収層１５のキャリア寿命時間の低減を十分に図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいてｄ1 とｎ値との相関を示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの長期寿命試験の結果を示す略線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの実施例の断面ＴＥＭ写真を示す図面代用写真である。
【図５】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図６】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおける溝の底面から活性層の上面までの距離ｔ1 とＭＴＴＦとの関係の測定結果を示す略線図である。
【図７】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性の測定結果を示す略線図である。
【図８】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのコヒーレント特性の測定結果を示す略線図である。
【図９】比較例によるＧａＮ系半導体レーザのスペクトル特性の測定結果を示す略線図である。
【図１０】比較例によるＧａＮ系半導体レーザのコヒーレント特性の測定結果を示す略線図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図１２】この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図１３】従来のＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図１４】従来のＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図１５】従来のＧａＮ系半導体レーザの断面ＴＥＭ写真を示す図面代用写真である。
【図１６】従来のＧａＮ系半導体レーザのＳＥＭ写真を示す図面代用写真である。
【図１７】種々の金属のヤング率と剛性率との関係を示す略線図である。
【図１８】種々の金属の線膨張係数を示す略線図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…ｎ型ＧａＮ基板、２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３…ｎ型ＧａＮ光導波層、４…活性層、５…アンドープＩｎＧａＮ光導波層、６…アンドープＡｌＧａＮ光導波層、７…ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、８…ｐ型ＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮ超格子クラッド層、９…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０…リッジストライプ、１１…ＳｉＯ2 膜、１２…アンドープＳｉ膜、１３…ｐ側電極、１４…ｎ側電極、１５…可飽和吸収層、１６、１７…溝、１８…絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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