(57)【要約】【課題】リッジ導波路型ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子において、閾電流密度及び動作電圧の上昇を伴うことなく水平横モードを安定化することが可能な構造を提供する。【解決手段】リッジ導波路型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子において、中央部を含み且つ長手方向に連続する第１領域と、該第１領域を両側から挟み且つその平均層厚が該第１領域の平均層厚よりも小さい第２領域と、を含むリッジ部を形成する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リッジ導波路型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子であって、
中央部を含み且つ長手方向に連続する第１領域と、該第１領域を両側から挟み且つその平均層厚が該第１領域の平均層厚よりも小さい第２領域と、を含むリッジ部を備える、レーザダイオード素子。
【請求項２】
前記第２領域が、前記長手方向に垂直な断面において左右対称の形状を有する、請求項１に記載のレーザダイオード素子。
【請求項３】
前記第１領域の層厚が全体に亘って均一である、請求項１又は２に記載のレーザダイオード素子。
【請求項４】
中心から周縁に向かって連続的又は段階的に層厚が小さくなるように、前記１領域の上面が階段状又はテーパ状に形成されている、請求項１又は２に記載のレーザダイオード素子。
【請求項５】
前記第２領域の層厚が全体に亘って均一である、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザダイオード素子。
【請求項６】
前記第２領域が、平均層厚が互いに異なる二以上の領域を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザダイオード素子。
【請求項７】
前記第１領域から遠ざかるにつれて連続的又は段階的に層厚が小さくなるように、前記第２領域の上面が階段状又はテーパ状に形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザダイオード素子。
【請求項８】
前記第１領域及び前記第２領域がそれぞれｐ型コンタクト層を含み、両領域上にｐ電極が形成される、請求項１〜７のいずれかに記載のレーザダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子に関する。詳しくは、リッジ導波路型ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を材料としたレーザダイオード素子（ＧａＮ系レーザダイオード素子）は、短波長レーザ光の発振を可能とするものとして有望視され、実用化に向けた研究開発が精力的に行われてきた。ＧａＮ系レーザダイオード素子の基本的な構造は、サファイア基板上に活性層を挟むようにしてｎ型半導体層及びｐ型半導体層が積層されたものであり、様々な構成の光導波路が提案されている。代表的な光導波路の構造として、水平方向の電流狭窄と光閉じ込めのためのリッジを備えるリッジ導波路構造（以下、「リッジ構造」ともいう）がある。このリッジ構造については多くの改良研究が行われており、例えば、リッジの幅方向の両側に発振光を吸収するＧａＮ系の埋込み層を形成することでリッジ幅を狭めることなく高次モードの発生を回避し、基本モードの発振を得る構造（特許文献１）や、ストライプ上の導波路領域として完全屈折型の導波路と実効屈折率型の導波路を有することで素子信頼性及びビーム特性を向上させた構造（特許文献２）等が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３１５９９号公報
【特許文献２】
特開２００２−３７４０３５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
リッジ導波路構造は、構造が比較的単純であって作製が容易である反面、水平横モードにおいて基本モード（０次モード）と高次モード（１次モード）の光閉じ込め率が近い（即ちモード間利得差が小さい）ためモード移行し易く、キンクが発生し易い。リッジ幅を狭めることによって水平横モードの安定化を図ることも可能であるが、このような構造はｐ電極における高抵抗化を伴い、動作電圧の上昇を引き起こす。また水平方向の光閉じ込め係数が減少するので、閾電流密度の上昇を引き起こす。
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、リッジ導波路型ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子において、閾電流密度及び動作電圧の上昇を伴うことなく水平横モードを安定化することが可能な構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の目的を達成するために以下の構成からなる。即ち、
リッジ導波路型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子であって、
中央部を含み且つ長手方向に連続する第１領域と、該第１領域を両側から挟み且つその平均層厚が該第１領域の平均層厚よりも小さい第２領域と、を含むリッジ部を備える、レーザダイオード素子である。
【０００６】
以上の構成では、相対的に大きな平均層厚を有する第１領域が、第２領域に挟まれた構造のリッジ部が備えられる。これによって、リッジ部において基本モードの発振に直接関与する中央部の実効屈折率が周縁部のそれよりも高くなり、当該中央部への効率的な光の閉じ込めが行われる。即ち、基本モードの光閉じ込め率が増大し、且つ高次モードの光閉じ込め率は減少する。したがって、水平横モードの安定性が増加し、キンクの発生が抑制される。
一方、トータルのリッジ幅を十分に確保できることから、閾電流密度及び動作電圧の上昇を伴うことがない。また、基本モードの光閉じ込め率が増大することによって閾電流密度及び動作電圧の低下がもたらされる。
以下、本発明の各要素について説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザダイオード素子は、基板上にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる複数の半導体層が積層された基本構造を有し、かつリッジ部を備える。このようなリッジ部を備えるレーザダイオード素子（リッジ導波路型レーザダイオード素子）ではリッジ部によって水平方向の電流狭窄と光閉じ込めが実現される。基板上に積層される各半導体層には、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層（単一量子井戸構造、多重量子井戸構造など）、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層が含まれる。
基板は、その上にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を成長させることができるものであれば特に限定されず、ＧａＮ、サファイア、スピネル、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ＹＳＺ（安定化ジルコニアイットリア）、ＺｒＢ２（ジルコニウムジボライド）等からなる基板を用いることができる。半導体基板を用いない場合にはサファイア基板が好ましく、その場合には特にそのｃ面を用いることが好ましい。結晶性のよいＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を成長させるためである。
【０００８】
基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
【０００９】
ここに、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ及びＧａｘＩｎ１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。ＩＩＩ族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
【００１０】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉等による加熱にさらすことができるが必須ではない。
【００１１】
これら半導体層は周知の成膜方法で形成することができる。例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法を用いることができる。
【００１２】
リッジ部はストライプ状の凸部であって典型的にはｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層の一部によって構成される。このようなリッジ部は、基板上に各半導体層を成長させた後にｐ型半導体層の一部をエッチング処理などで除去することによって形成することができる。リッジ部全体の幅は例えば１μｍ〜１０μｍとすることができる。
【００１３】
本発明のレーザダイオード素子では、中央部を含み且つ長手方向に連続する第１領域と、この第１領域を挟むように位置し且つその平均層厚が第１領域の平均層厚よりも小さい第２領域とを含むリッジ部が備えられる。このような構成では中央部（第１領域）の実効屈折率がその両側に位置する領域（第２領域）のそれよりも大きくなる。これによって基本モードの光閉じ込め率が高まり、その結果水平横モードの安定性が向上する。
【００１４】
以上の条件を満たすリッジ部の具体例としては、図１に示すように中央部（第１領域）４１よりもその両側（第２領域）４２が基板側に一段下がった構造を挙げることができる。このような構造のリッジ部４０を採用する場合において、第１領域４１の幅４１ａ：第２領域（片側）４２の幅４２ａを例えば１：１０〜１０：１に設定することができる。一方、第１領域４１の高さ４１ｂ：第２領域４２の高さ４２ｂを例えば２：１〜１１：１に設定することができる。尚、図１はリッジ部４０の長手方向に垂直な断面図である。
図１の例では、第１領域４１の両側に左右対称となるように第２領域４２が形成されている。このような対称性は水平横モード特性の向上に貢献する。一方、図１の例では第１領域４１及び第２領域４２がそれぞれ全体に亘って均一な層厚を有するが、各領域ともに必ずしも均一な層厚でなくてもよい。例えば、第１領域において層厚が均一でない例を図２ａに示す。この例では第１領域４４がその中心を境として両側にテーパ状となっている。即ち、中心から周縁に向かって一定の変化率で連続的に第１領域４４の層厚が小さくなる。尚、層厚の変化率は一定でなくてもよい。一方、以上のように連続的に層厚が変化するのではなく、段階的に層厚が変化するように第１領域を構成してもよい。例えば、図２ｂに示すように上面を階段状とすることで、段階的に層厚の変化する第１領域４７（即ち、層厚の互いに異なる二以上の領域を含む第１領域４７）を構成できる。
尚、層厚における連続的な変化及び段階的な変化は排他的なものではなく、これらが併用されていてもよい。
【００１５】
第２領域において層厚が均一でない例を図３ａに示す。この例では第２領域６２が、第１領域６１から遠ざかるにつれて連続的にその層厚が小さくなるようにテーパ状となっている。即ち、第１領域６１から遠ざかる方向に一定の変化率で連続的に第２領域６２の層厚が小さくなる。尚、層厚の変化率は一定でなくてもよい。以上のように連続的に層厚が変化するのではなく、段階的に層厚が変化するように第２領域を構成してもよい。例えば、図３ｂに示すように上面を階段状とすることで、段階的に層厚の変化する第２領域６５を構成（即ち、層厚の互いに異なる二以上の領域を含む第２領域６５）できる。
尚、層厚における連続的な変化及び段階的な変化は排他的なものではなく、これらが併用されていてもよい。
【００１６】
リッジは一般に、ｐ型クラッド層の一部及びｐ型コンタクト層によって構成される。  本発明では、リッジを構成する第１領域及び第２領域のいずれもがｐ型コンタクト層を含むことが好ましい。かかる構造では第１領域上及び第２領域上にｐ電極を形成することができる。即ち、十分に広い面積の電極面を確保することが可能となる。これによって低閾電流密度及び低動作電圧のレーザダイオード素子が構成されることとなる。
【００１７】
以上で説明した第１領域及び第２領域を含むリッジは例えば次の方法によって形成される。まず、基板上に各半導体層（ｎ型コンタクト層〜ｐ型コンタクト層）を成長させた後、ｐ型コンタクト層上においてリッジを形成する領域を被覆するように、ストライプ状の保護膜をフォトリソグラフィで形成する。保護膜としては例えば、ＳｉＯ２などのシリコン酸化物を用いることができる。次に、保護膜が形成されない領域をｐ型クラッド層の途中までエッチングする。エッチング方法としては反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）を好適に利用できる。次に、第１領域を形成する部分（中央部）のみに保護膜が残存するように、その他の部分を被覆している保護膜を除去する。その後、上記と同様の方法でエッチング処理し、保護膜で被覆されていない領域においてｐ型コンタクト層の一部を除去する。以上の工程によって、周縁部（第２領域）が中央部（第１領域）よりも基板側へと一段下がった構造のリッジ部が形成される。
以下、実施例を用いて本発明の構成をより詳細に説明する。
【００１８】
【実施例】
本発明の実施例である半導体レーザダイオード素子（以下、「ＬＤ素子」ともいう）１を図４に示す。ＬＤ素子１の各層のスペックは次の通りである。
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【００１９】
上記において、第１のｎ型層１３はｎ型コンタクト層、第２のｎ型層１４はｎ型クラッド層、第３のｎ型層１５はｎ型ガイド層、ＭＱＷ層１６は発光層、第１のｐ型層１７はｐ型ガイド層、第２のｐ型層１８はｐ型クラッド層、第３のｐ型層１９はｐ型コンタクト層としてそれぞれ機能する。
【００２０】
上記においてバッファ層１２の材料としてＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。
ここでｎ型層１３、１４、１５にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮを用いることができる。
また、ｎ型層１３、１４、１５にはｎ型不純物としてＳｉをドープしたが、このほかにｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
ＭＱＷ層１６にはＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造の他、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＩｎＮ等の多重量子井戸構造を採用することができる。量子井戸層の数は１〜３０とすることが好ましい。
【００２１】
ｐ型層１７、１８、１９はＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮとすることもできる、また、ｐ型不純物としてはＭｇの代わりにＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。ｐ型不純物の導入後に、電子線照射、プラズマ照射、炉等による加熱等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。
【００２２】
上記構成のＬＤ素子１において、第１のｎ型層１３より上のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法の他、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等の方法で形成することもできる。
【００２３】
各半導体層を積層した後、リッジ２０を形成する。リッジ２０はフォトリソグラフィ及びエッチングによって形成される。まず、第３のｐ型層１９の全面に保護膜（ＳｉＯ２）を形成する。次にフォトリソグラフィによって一部の保護膜を除去し、所望の幅（リッジ２０の幅）を有するストライプ状の保護膜とする。続いて、残存する保護膜をマスクとして、保護膜に被覆されずに露出した部分を第３のｐ型層１９から順に反応性イオンエッチングで除去する。このエッチング処理は第２のｐ型層１８の一部が除去されるまで継続される。次に、以上の工程によって形成された凸状部（リッジ）に加工を施し第１領域２０ａ及び第２領域２０ｂを形成する。まずフォトリソグラフィを利用して、第１領域２０ａを形成する部分（即ちリッジの中央部）のみに保護膜が残存するように、その他の部分を被覆している保護膜を除去する。これによってリッジの中央部を被覆するストライプ状の保護膜が形成される。続いて再度反応性イオンエッチングを実施し、保護膜で被覆されていない部分において第３のｐ型層１９の一部を除去する。最後に保護膜を除去する。以上の工程によって、図１に示されるがごとく中央部（第１領域２０ａ）よりも周縁部（第２領域２０ｂ）が基板１１側へと一段下がった構造のリッジ２０が形成される。尚、本実施例では第１領域２０ａ及び第２領域２０ｂのいずれもが第３のｐ型層１９を含む。
【００２４】
以上の手順でリッジ２０を形成した後、ｎ電極２２及びｐ電極２３を形成する。ｎ電極２２はＡｌやＴｉ等を含む材料からなり、リッジ２０を形成した後に第３のｐ型層〜第２のｎ型層、及び第１のｎ型層１３の一部をエッチングにより除去することによって表出した第１のｎ型層１３上に蒸着で形成される。ｐ電極２３はＮｉやＰｔ、Ａｕ等を含む材料で構成されており、蒸着により形成される。
【００２５】
続いて、エッチング等の常法でチップ化した後、得られた積層体において光反射側となる端面（後端面）に光反射膜（図示せず）をスパッタで形成する。
【００２６】
以上の各工程を経て作製されたＬＤ素子１を使用した半導体レーザ装置の例を図５に示す。尚、説明の便宜上、図５においてｐ電極やｎ電極など、一部の要素を省略する。
ＬＤ素子１は支持体７０に立設されたステム７１上にヒートシンク（導電性基板）７２を介して設置される。ＬＤ素子１は電極側を下にしてヒートシンク７２にマウントされている。尚、ヒートシンク７２の表面の一部には絶縁性材料層が形成されており、この絶縁材料層によってｎ電極とｐ電極間の短絡が防止される。
キャップ７５には集光レンズ７７が形成されており、ＬＤ素子１で生成されたレーザ光は当該集光レンズ７７を介して外部に放出される。
【００２７】
次に、上述の方法によって作製されるレーザダイオード素子の特性を検証するために、図６に示す各構成について光出力特性をシミュレートした。図６の右欄にはシミュレーションに用いたリッジ部の構造（（ａ）は従来の構造、（ｂ）は本実施例の構造）が模式的に示される。尚、リッジ幅は、従来の構造において１．８μｍ、本実施例の構造において０．６×３（ｔｏｔａｌ  １．８）μｍとした。
シミュレーションの結果を図７に示す。図７（ａ）は基本モードの光出力特性を示すグラフであり、（ｂ）は高次モードの光出力特性を示すグラフである。これらのグラフから明らかなように、従来の構造に比較して本実施例の構造では基本モードにおけるピークが高く、これとは逆に高次モードにおけるピークが低い。即ち、本実施例の構造の方が基本モードにおける光閉じ込め率が高く、且つ高次モードにおける光閉じ込め率が低い。したがって、本実施例の構造では水平横モードがより一層安定化し、キンクレベルが向上するといえる。また、本実施例の構造では基本モードにおいて光閉じ込め率が増大し、閾電流密度が減少する。
【００２８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のレーザダイオード素子では、層厚の異なる二つの領域をリッジに形成することによって水平横モードの安定性が高められる。また、リッジ幅を十分に確保することができ、低閾電流密度及び低動作電圧の素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のレーザダイオード素子において採用されるリッジ部の構造の一例を示した断面図である。リッジ部４０はその中央部に形成される第１領域４１及び周縁部に形成される第２領域４２から構成される。符号５０はｐ型層を表す。
【図２】図２は本発明のレーザダイオード素子において採用されるリッジ部の構造の他の例を示した断面図である。リッジ部４３（又は４６）はその中央に形成される第１領域４４（又は４７）及び周縁部に形成される第２領域４５（又は４８）から構成される。（ａ）は第１領域４４をテーパ形状とした例であり、（ｂ）は第１領域４７を階段状とした例である。符号５０はｐ型層を表す。
【図３】図３は本発明のレーザダイオード素子において採用されるリッジ部の構造の他の例を示した断面図である。リッジ部６０（又は６３）はその中央に形成される第１領域６１（又は６４）及びその両側に形成される第２領域６２（又は６５）から構成される。（ａ）は第２領域６２をテーパ形状とした例であり、（ｂ）は第２領域６５を階段状とした例である。符号５０はｐ型層を表す。
【図４】図４は本発明の実施例であるレーザダイオード素子１の構成を示す断面図である。
【図５】図５は実施例のレーザダイオード素子１を使用した半導体レーザ装置を示す図である。
【図６】図６は実施例におけるシミュレーションに使用した素子の構造を示す表及び模式図である。
【図７】図７は実施例におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。（ａ）には基本モードにおける光出力特性が示される。（ｂ）には高次モードにおける光出力特性が示される。
【符号の説明】
１  レーザダイオード素子
１１  サファイア基板
２０  リッジ部
２０ａ  リッジ部第１領域
２０ｂ  リッジ部第２領域
７０  支持体
７１  支持体ステム
７２  ヒートシンク
７５  キャップ
７７  集光レンズ
【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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