(57)【要約】【課題】層厚方向における光導波モードの制御性に優れ、特性が改善された半導体発光素子を提供すること。【解決手段】基板上に少なくとも第１導電型クラッド層２、第１導電型光ガイド層３、活性層４、第２導電型光ガイド層５および第２導電型クラッド層６，８が順次積層されている。層厚方向に関して、活性層４を挟んで配置された積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を補正するように、第１導電型光ガイド層３の屈折率と第２導電型光ガイド層５の屈折率とが互いに異なる。または、第１導電型光ガイド層３の層厚と第２導電型光ガイド層５の層厚とが互いに異なる。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が順次積層された半導体発光素子において、
層厚方向に関して、上記活性層を挟んで配置された積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を補正するように、上記第１導電型光ガイド層の屈折率と上記第２導電型光ガイド層の屈折率とが互いに異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が順次積層された半導体発光素子において、
層厚方向に関して、上記活性層を挟んで配置された積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を補正するように、上記第１導電型光ガイド層の層厚と上記第２導電型光ガイド層の層厚とが互いに異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の屈折率が、共に上記活性層の屈折率と上記クラッド層の屈折率との間にあり、
上記第１導電型および第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギが、共に上記活性層のバンドギャップエネルギと上記クラッド層のバンドギャップエネルギとの間にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方が、組成の異なる２層以上の積層構造より成ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第２導電型光ガイド層の屈折率が、上記第１導電型光ガイド層の屈折率に比して高いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第２導電型光ガイド層の層厚が、上記第１導電型光ガイド層の層厚に比して厚いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第２導電型光ガイド層が、上記第２導電型クラッド層よりもＭｇ組成の大きなＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦０．３３である。）より成る層を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子において、
上記第２導電型光ガイド層がＺｎＯより成る薄層を含み、この薄層が上記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯより成る層よりも上記活性層に近い位置に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方が組成傾斜を有することを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子に関し、より詳しくは、ＺｎＯ系半導体を材料とした半導体レーザなどの発光素子に関する。
【０００２】
なお、この明細書において、ＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇｘＺｎ１−ｘＯあるいはＣｄｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、それぞれ０＜ｘ＜１である。）などで表される混晶を含むものとする。なお、簡単のため、混晶比ｘを省略して表記する場合がある。
【０００３】
【従来の技術】
半導体レーザなどの発光素子では、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を形成した分離閉じ込めヘテロ構造がよく用いられる。分離閉じ込めヘテロ構造を適用した半導体レーザ素子は、光ガイド層によって活性層への光閉じ込め率が向上し、発振閾値電流の低減や、導波モードの制御に極めて有効である。
【０００４】
例えば、青色から紫外光の発光素子に用いられるＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子において、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物系半導体層と、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物系半導体層あるいはＧａＮ層とを積層して、光ガイド層として用いる技術が知られている（特許第３２３５４４０号明細書）。
【０００５】
また、ＺｎＯ系半導体を材料としたＣｄｘＺｎ１−ｘＯ活性層を用いたダブルヘテロ構造を有する発光素子において、活性層に接したストレス緩和層とクラッド層との間に光ガイド層を設ける技術が知られている（例えば、国際公開ＷＯ００／１６４１１号明細書）。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光素子を実現できる可能性がある。
【０００６】
また、半導体発光素子においては、光ガイド層の他にも様々な機能を有する層（これらを「機能層」と総称する。）を構造中に設けることがなされている。
【０００７】
例えば、クラッド層をエッチング加工してリッジストライプを形成する際に設けられるエッチングストップ層、活性層からクラッド層へのキャリアオーバーフローを防止するキャリア障壁層、発振光の一部を吸収することにより緩和振動を永続させ自励発振を生ぜしめる過飽和吸収層などである。
【０００８】
これらの機能層は、活性層を挟んで上下に配置された積層（ｎ型積層あるいはｐ型積層）のいずれか一方のみに設けられれば、その機能を十分に発揮できることが多い。そのような上下に配置された積層の両方に同じ機能層を設けることは、素子の製造工程が増加し高コスト化するという理由で、むしろ好ましくないとされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、活性層を挟んで上下に配置された積層のいずれか一方のみに機能層が設けられた場合、その機能層の存在によって、活性層による発光が屈折や吸収の影響を受ける。その結果、活性層にピークを持ち発光素子内に広がる光強度分布が、層厚方向に関して非対称となる。
【００１０】
このような非対称な光強度分布は、発光素子の層厚方向における放射角や導波モードの制御に多大な障害となる。
【００１１】
ＺｎＯ系半導体においては、クラッド層として用いられるＭｇｘＺｎ１−ｘＯの結晶性や導電率の制御技術が十分でないため、クラッド層を厚く成長することができず、活性層に対してクラッド層よりも遠い位置に存在するコンタクト層やバッファ層で光強度分布の裾が吸収されたり、高濃度にドーピングされた不純物が発振光を散乱・吸収したりすることによって、光強度分布の対称性が崩れやすい傾向にある。
【００１２】
特に、蒸気圧が高く成長温度が低いＺｎＯ層やＣｄｘＺｎ１−ｘＯ混晶層の形成前後では、蒸気圧が低いＭｇｘＺｎ１−ｘＯの成長条件を同一にすることができないので、ｎ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層の光学特性とｐ型ＭｇｘＺｎ１−ｘＯクラッド層の光学特性との間に差異が生じる。このため、上記機能層を形成した場合、光強度分布の非対称性は更に顕著になる。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、層厚方向における光導波モードの制御性に優れ、特性が改善された半導体発光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は、ＺｎＯ系半導体発光素子において安定した光強度分布対称性が得られる素子構造を鋭意検討した結果、前述した光ガイド層を用いて非対称な光強度分布を補正することで、層厚方向に関して活性層を中心とする対称性に優れた光強度分布を実現できることを見い出し、本発明に至った。
【００１５】
すなわち、本発明の第１の半導体発光素子は、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が順次積層されていることを前提とする。そして、そのような半導体発光素子において、層厚方向に関して、上記活性層を挟んで配置された積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を補正するように、上記第１導電型光ガイド層の屈折率と上記第２導電型光ガイド層の屈折率とが互いに異なることを特徴とする。
【００１６】
なお、単に「屈折率」と記した場合は、光ガイド層を構成する半導体の物性によって定まる固有の屈折率を意味する。この固有の「屈折率」は、活性層をピークとして発光素子内に広がる光強度分布が光ガイド層において感じる実効的屈折率（等価屈折率とも称される）とは区別される。
【００１７】
また、「第１導電型」はｎ型とｐ型のうちの一方を指し、「第２導電型」はｎ型とｐ型のうちの他方を指す。
【００１８】
この発明の半導体発光素子によれば、第１導電型光ガイド層の屈折率と第２導電型光ガイド層の屈折率との相異のお陰で、層厚方向に関して、上記活性層を挟む積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性が補正される。この結果、層厚方向に関して、活性層を中心とした対称な光強度分布が得られる。
【００１９】
このことにより、半導体発光素子における層厚方向の光導波モードの制御性が向上し、導波モードなどの特性が総合的に改善される。
【００２０】
なお、第１導電型光ガイド層の屈折率と第２導電型光ガイド層の屈折率とが互いに異なるものにするためには、例えば第１導電型光ガイド層と第２導電型光ガイド層を、互いに異なる組成のＺｎＯ系混晶で構成すれば良い。
【００２１】
また、本発明の第２の半導体発光素子は、上記第１の半導体発光素子と同様に、基板上に少なくとも、ＺｎＯ系半導体で構成された第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層および第２導電型クラッド層が順次積層されていることを前提とする。そして、そのような半導体発光素子において、層厚方向に関して、上記活性層を挟んで上下に配置された積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を補正するように、上記第１導電型光ガイド層の層厚と上記第２導電型光ガイド層の層厚とが互いに異なることを特徴とする。
【００２２】
この発明の半導体発光素子によれば、第１導電型光ガイド層の層厚と第２導電型光ガイド層の層厚との相異のお陰で、層厚方向に関して、上記活性層を挟む積層の非対称性に起因する光強度分布の非対称性が補正される。この結果、層厚方向に関して、活性層を中心とした対称な光強度分布が得られる。このことにより、半導体発光素子における層厚方向の光導波モードの制御性が向上し、導波モードなどの特性が総合的に改善される。
【００２３】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の屈折率が、共に上記活性層の屈折率と上記クラッド層の屈折率との間にあり、上記第１導電型および第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギが、共に上記活性層のバンドギャップエネルギと上記クラッド層のバンドギャップエネルギとの間にある。
【００２４】
第１導電型および第２導電型光ガイド層の屈折率が、共に上記活性層の屈折率と上記クラッド層の屈折率との間にあれば、活性層を薄層化しても、活性層からの光のしみ出しが抑えられて閉じ込め率が大きくなる。また、第１導電型および第２導電型光ガイド層のバンドギャップエネルギが、共に上記活性層のバンドギャップエネルギと上記クラッド層のバンドギャップエネルギとの間にあれば、活性層へのキャリア閉じ込めが有効に行われる。このことにより、光学利得が大きく発振閾値電流が低い半導体発光素子を実現できる。
【００２５】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方が、組成の異なる２層以上の積層構造より成る。
【００２６】
第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方を組成の異なる２層以上の積層構造とることにより、単層で形成するよりも実効屈折率の制御性が向上する。また、キャリア障壁層や蒸発防止層を設けることなく、光ガイド層のみで同等の機能を実現することができ、優れた特性を有する酸化物半導体素子を簡略化された作製方法で得ることができる。
【００２７】
なお、光ガイド層が２層以上の積層構造より成る場合における「光ガイド層の屈折率」とは、そのような光ガイド層を均質な単層の光ガイド層と見なしたときに置き換えられる屈折率を意味する。
【００２８】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第２導電型光ガイド層の屈折率が、上記第１導電型光ガイド層の屈折率に比して高い。
【００２９】
一般に、エッチングストップ層や蒸発防止層などの機能層は、活性層に対して上に配置された第２導電型の積層構造内のみに設けられ、それが光強度分布の非対称性を生じる要因となる。そこで、本実施形態では、第２導電型光ガイド層の屈折率を第１導電型光ガイド層に比して高くすることにより、上記光強度分布の非対称性を補正するようにしている。この結果、層厚方向に関して、活性層を中心とした対称な光強度分布を得ることができ、導波モードの制御性が向上する。
【００３０】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第２導電型光ガイド層の層厚が、上記第１導電型光ガイド層の層厚に比して厚い。
【００３１】
一般に、エッチングストップ層や蒸発防止層などの機能層は、活性層に対して上に配置された第２導電型の積層構造内のみに設けられ、それが光強度分布の非対称性を生じる要因となる。そこで、本実施形態では、第２導電型光ガイド層厚を第１導電型に比して厚くすることにより、上記光強度分布の非対称性を補正するようにしている。この結果、層厚方向に関して、活性層を中心とした対称な光強度分布を得ることができ、導波モードの制御性が向上する。
【００３２】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第２導電型光ガイド層が、上記第２導電型クラッド層よりもＭｇ組成の大きなＭｇｘＺｎ１−ｘＯ（ただし、０＜ｘ≦０．３３である。）より成る層を含む。
【００３３】
第２導電型クラッド層よりＭｇ組成の大きなＭｇｘＺｎ１−ｘＯより成る層は、活性層からクラッド層ヘキャリアがオーバーフローするのを抑止する障壁層として働く。つまり、上記第２導電型光ガイド層は、キャリアブロック機能を兼ね備えたものとなる。したがって、光ガイド層と障壁層とを別々に設ける場合に比して、素子作製プロセスを簡略化することができる。特に、Ｍｇ組成ｘが０＜ｘ≦０．３３の範囲にあれば、結晶性の悪化を生じることなく障壁層を形成することができる。
【００３４】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第２導電型光ガイド層がＺｎＯより成る薄層を含み、この薄層が上記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯより成る層（障壁層）よりも上記活性層に近い位置に形成されている。
【００３５】
一般に、Ｍｇは蒸気圧が低いため、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の形成にはＣｄｘＺｎ１−ｘＯの形成よりも成長温度が高く設定される。このため、活性層がＣｄｘＺｎ１−ｘＯ混晶層を含む場合には、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の形成時に、活性層（ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ）の蒸発が生じやすい。そこで、本実施形態では、上記第２導電型光ガイド層がＺｎＯより成る薄層を含み、この薄層が上記ＭｇｘＺｎ１−ｘＯより成る層（障壁層）よりも上記活性層に近い位置に形成されているものとしている。これにより、成長温度が高いＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層の形成時に、活性層（ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ）の蒸発を防ぐことができる。よって、作製された半導体発光素子は、信頼性に優れたものとなる。
【００３６】
一実施形態の半導体発光素子は、上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方が組成傾斜を有する。
【００３７】
本実施形態の半導体発光素子は上記第１導電型および第２導電型光ガイド層の少なくとも一方が組成傾斜を有するので、その光ガイド層の形成時に、組成比が急激に変化する場合に比べ、結晶成長条件を緩やかに変化させることができ、これに伴って結晶欠陥が低減する。よって、作製された半導体発光素子は、信頼性に優れたものとなる。
【００３８】
また、本発明は、上記活性層が量子井戸構造を有する場合に、好ましく適用される。
【００３９】
一般に、量子井戸活性層は光学利得が大きく、偏波方向依存性が強いなど、特性に優れた発光素子を実現できる一方、層厚が薄いため光のしみ出しが大きく、積層構造の非対称性に起因する光強度分布の非対称性を生じる傾向が強い。そこで、上記活性層が量子井戸構造を有する場合に本発明を適用すれば、活性層が薄厚である場合に生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、発振閾値電流の低い半導体発光素子を実現することができる。
【００４０】
また、本発明は、上記基板と上記第１導電型光ガイド層の間に、室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下の層が形成されている場合に、好ましく適用される。
【００４１】
一般に、基板と第１導電型クラッド層の間にバッファ層や第１導電型コンタクト層などを設ける場合、これらの層の材料としては室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下のもの、つまりバンドギャップエネルギの小さいＺｎＯやＣｄｘＺｎ１−ｘＯが用いられる。このため、そのバンドギャップエネルギの小さい層材料が光強度分布の裾を吸収して非対称性を生じる傾向が強い。そこで、上記基板と上記第１導電型光ガイド層の間に、室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下の層が形成されている場合に本発明を適用すれば、光強度分布の裾が吸収されることによって生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、バッファ層や第１導電型コンタクト層の機能が十分に発揮された半導体発光素子を実現することができる。
【００４２】
また、本発明は、上記第２導電型光ガイド層より上方に、室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下の層が形成されている場合に、好ましく適用される。
【００４３】
一般に、第２導電型光ガイド層より上方に過飽和吸収層や第２導電型コンタクト層などを設ける場合、これらの層の材料としては室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下のもの、つまりバンドギャップエネルギの小さいＺｎＯやＣｄｘＺｎ１−ｘＯが用いられる。このため、そのバンドギャップエネルギの小さい層材料が光強度分布の裾を吸収して非対称性を生じる傾向が強い。そこで、上記第２導電型光ガイド層より上方に、室温におけるバンドギャップエネルギが３．４ｅＶ以下の層が形成されている場合に本発明を適用すれば、光強度分布の裾が吸収されることによって生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、過飽和吸収層やコンタクト層の機能が十分に発揮された半導体発光素子を実現することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２１の構造を斜めから見たところを示している。本実施形態は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子のｎ型およびｐ型光ガイド層を、互いに異なる組成比のＺｎＯ系混晶で構成した例である。
【００４６】
詳しくは、この半導体レーザ素子２１では、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１上に、厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２、厚さ３００Åのｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層３、厚さ５００ÅのノンドープＣｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ活性層４、厚さ３００Åのｐ型Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ光ガイド層５、厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第１クラッド層６、厚さ５００Åのｐ型Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏエッチングストップ層７、厚さ１．０μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第２クラッド層８、厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層９が順次積層されている。
【００４７】
ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第２クラッド層８は、アンモニア水溶液などの適当なアルカリ性エッチング溶液を用いてリッジストライプ状にエッチング加工されている。そのエッチングは、アルカリ性エッチング溶液に対してエッチングレートが十分遅いＣｄｘＺｎ１−ｘＯ混晶より成るエッチングストップ層７で停止するようになっている。リッジストライプ状にエッチング加工されたｐ型ＭｇＺｎＯ第２クラッド層８の両側はＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏより成るｎ型電流ブロック層１０によって埋め込まれている。
【００４８】
また、ＺｎＯ基板１の下にはｎ型オーミック電極１１が形成され、ｐ型ＺｎＯコンタクト層９の上にはｐ型オーミック電極１２が形成されている。
【００４９】
この半導体レーザ素子２１は、ｎ型光ガイド層３の屈折率とｐ型光ガイド層５の屈折率とが互いに異なることに特徴を有している。
【００５０】
この半導体レーザ素子２１は、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシ（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法で作製することができるが、レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと薄膜の組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので特に好ましい。
【００５１】
図１中に示す積層構造（ウエハ）を作製後、この状態のウエハを劈開して、生じた端面１３を共振器のためのミラーとした。さらに、この端面１３に図示しない保護膜を真空蒸着した後、素子を３００μｍの寸法に分離した。
【００５２】
本実施形態の半導体レーザ素子２１に電流を流したところ、端面１３から波長４３０ｎｍの青色発振光が出射された。
【００５３】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、そのうち４５個は図２中に実線Ａで示した正常な放射パターンを示したが、残りの５個は図２中に点線Ｂで示した複数の弱いピークを持つ異常な放射パターンを示した。
【００５４】
比較例として、ｎ型光ガイド層３とｐ型光ガイド層５を共にＺｎＯで構成した他は本実施形態と同様にして半導体レーザ素子を作製したところ、本実施形態と同様に端面から波長４３０ｎｍの青色発振光が出射された。しかし、測定数５０個のうち２０個が上記の正常な放射パターンを示し、残りの３０個が上記の異常な放射パターンを示した。
【００５５】
このような異常な放射パターンは、青色発光に対応したＤＶＤなどの高密度光ディスクシステムにおいて、信号記録および再生が正常に行なわれない。
【００５６】
放射パターンが異常となった理由を調べるため、本実施形態の半導体レーザ素子２１および比較例の半導体レーザ素子について、活性層近傍の層厚方向の近視野像および屈折率プロファイルを調べた。図３（ａ）中の実線Ａ１は本実施形態の半導体レーザ素子２１の層厚方向の屈折率プロファイル、破線Ｂ１は比較例の半導体レーザ素子の層厚方向の屈折率プロファイルをそれぞれ示している。また、図３（ｂ）中の実線Ａ１は本実施形態の半導体レーザ素子２１の層厚方向の近視野像、破線Ｂ１は比較例の半導体レーザ素子の層厚方向の近視野像をそれぞれ示している。なお、図３（ｂ）中には、実線Ｂ２で、エッチングストップ層７を形成しない他は比較例と同構造とした半導体レーザ素子の近視野像を計算で見積った結果を併せて示している。
【００５７】
この図３（ｂ）から、比較例の半導体レーザ素子は、屈折率の大きなエッチングストップ層７の影響を受けて、近視野像（破線Ｂ１で示す）が活性層４の上下で非対称な形状となっていることが分かる。これが活性層４での導波モードに影響を与え、光閉じ込めが不安定になって高次モードで発振したため、遠視野像の放射パターンが異常な素子（図２中に破線Ｂで示したもの）が多くの割合で発生したものと考えられる。
【００５８】
一方、本実施形態の半導体レーザ素子２１は、図３（ａ）中に実線Ａ１で示すようにｎ型光ガイド層３とｐ型光ガイド層５とを各々屈折率の異なるＺｎＯ系半導体混晶で構成して、エッチングストップ層７の影響を補正するようようにしたため、図３（ｂ）中に実線Ａ１で示すように、比較例で見られた近視野像の非対称性が緩和されて、エッチングストップ層７を形成しない場合に見積られる上下対称な近視野像（実線Ｂ２で示す）に近くなっている。
【００５９】
以上の結果より、本実施形態の半導体発光素子２１では、層厚方向の光導波モードの制御性が向上し、素子特性と製造歩留まりが大幅に改善されることがわかる。
【００６０】
エッチングストップ層７は、ｐ型導電層の積層構造内にしか設ける必要が無く、その材料系としては、アルカリ性のエッチング溶液に対してＺｎＯやＭｇｘＺｎ１−ｘＯより選択比の高いＣｄｘＺｎ１−ｘＯを用いるのが適している。ＣｄｘＺｎ１−ｘＯは屈折率が高いので、これを補正するには、ｐ型光ガイド層５の屈折率をｎ型光ガイド層３の屈折率より相対的に高くすればよい。
【００６１】
なお、エッチングストップ層７をＢｅｘＺｎ１−ｘＯで構成した場合には、逆に屈折率が低くなるので、ｐ型光ガイド層５の屈折率をｎ型光ガイド層３の屈折率より相対的に低くすればよい。
【００６２】
活性層４を薄層化しても光のしみ出しを抑えて閉じ込め率を大きくするには、ｎ型光ガイド層３とｐ型光ガイド層５の屈折率は共に活性層４の屈折率とクラッド層６，８の屈折率との間にあることが好ましい。また、活性層へのキャリア閉じ込めが有効に行われるには、ｎ型光ガイド層３とｐ型光ガイド層５のバンドギャップエネルギは共に活性層４のバンドギャップエネルギとクラッド層６，８のバンドギャップエネルギとの間にある必要がある。
【００６３】
ＺｎＯ半導体層にドーピングするｐ型不純物としては、Ｉ族元素のＬｉ、Ｃｕ、ＡｇやＶ族元素のＮ、Ａｓ、Ｐなどを用いることができる。ＮとＡｇは活性化エネルギが小さいので特に好ましく、更にＮはＮ２をプラズマ化し結晶成長中に照射する手法によって、結晶性を良好に保って高濃度ドーピングが行えるので好ましい。
【００６４】
また、ＺｎＯ半導体層にドーピングするｎ型不純物としては、ＩＩＩ族元素のＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを用いることができるが、ＺｎＯ系半導体中での活性化率が高いＧａまたはＡｌが好ましい。
【００６５】
本実施形態ではＺｎＯ活性層４をノンドープとしたが、ＺｎＯ活性層４にＧａなどのＩＩＩ族元素をドーピングした場合は、励起子発光と不純物準位を介した発光が共にレーザ発振に関与する。しかし、導波モードの制御性が向上する本発明の効果は変らない。
【００６６】
本実施形態で基板１の材料として用いたＺｎＯ単結晶は、成長層と同じ材料系であるので、結晶欠陥の生成が極めて小さく最も好ましい。また、亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００６７】
基板１としては、ＺｎＯ単結晶以外にも、サファイアやＬｉＧａＯ２などの絶縁性基板、ＳｉＣやＧａＮなどの導電性基板を用いることができる。
【００６８】
基板１として絶縁性基板を用いる場合は、成長層をエッチングしてｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２を露出させ、その上にｎ型オーミック電極１１を形成すればよい。また、そのような基板１とｎ型オーミック電極１１との間に、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯより低抵抗なＺｎＯを用いてｎ型コンタクト層を形成してもよい。また、結晶性の良好な成長層を得るためにバッファ層を形成してもよい。
【００６９】
基板１として導電性基板を用いる場合は、基板裏面にｎ型電極を直接形成することができるので、素子製造工程が簡便になり好ましい。
【００７０】
ｐ型オーミック電極１２の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができるが、中でも低抵抗で密着性の良いＮｉが好ましい。上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００７１】
ｐ型ＺｎＯ系半導体は低抵抗層を得るのが難しいため、ｐ型電極形成後にアニール処理を行うと、密着性が向上すると共に接触抵抗が低減するので好ましい。ＺｎＯ結晶に欠陥を生じずにアニール効果を得るには、温度は３００℃〜４００℃が好ましい。また、アニール処理における雰囲気はＯ２あるいは大気雰囲気中が好ましく、Ｎ２では逆に抵抗が増大するため好ましくない。
【００７２】
ｎ型オーミック電極１１の材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどを用いることができる。中でも低抵抗で密着性の良いＴｉが好ましい。上記複数の金属材料を合金化して形成してもよい。
【００７３】
その他の構成は任意であり、本実施形態によって限定されるものではない。
【００７４】
（第２実施形態）
図４（ａ）は第２実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２２の断面構造を示し、図４（ｂ）はその半導体レーザ素子２２の層厚方向の屈折率プロファイルを示している。
【００７５】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２２は、ｎ型ガイド層３Ｂおよびｐ型光ガイド層５Ｂが共にＺｎＯ層で構成され、また、ｎ型ガイド層３Ｂの層厚が２００Å、ｐ型光ガイド層５Ｂが５００Åにそれぞれ設定されている点に特徴がある。その他は、第１実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている。
【００７６】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、そのうち４３個が正常な放射パターンを示し、残りの７個が異常な放射パターンを示した。
【００７７】
しかし、ｎ型ガイド層３およびｐ型光ガイド層５を、層厚に差異を持たせると同時に、第１実施形態と同じく屈折率の異なる混晶で構成したところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。
【００７８】
このように、屈折率が高いＣｄＺｎＯエッチングストップ層７の影響を補正するには、ｐ型光ガイド層の層厚をｎ型光ガイド層の層厚より厚くすればよいが、同時に屈折率が異なる混晶で構成した方が、より強い補正効果を有する。
【００７９】
なお、エッチングストップ層７をＢｅｘＺｎ１−ｘＯで構成した場合には、逆に、ｐ型光ガイド層の層厚をｎ型光ガイド層の層厚より薄くすればよい。
【００８０】
（第３実施形態）
図５（ａ）は第３実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２３の断面構造を示し、図５（ｂ）はその半導体レーザ素子２３の層厚方向の屈折率プロファイルを示している。
【００８１】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２３は、ｎ型ガイド層３Ｃが、厚さ１００Åのｎ型Ｍｇ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ層３Ｃ１，３Ｃ３の２層で、厚さ１００Åのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層３Ｃ２（１層）を挾持した構造になっており、また、ｐ型光ガイド層５Ｃが、厚さ１００Åのｐ型Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ層５Ｃ１，５Ｃ３の２層で厚さ１００Åのｐ型Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層５Ｃ２（１層）を挾持した構造になっている点に特徴がある。その他は、第１実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている。
【００８２】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。
【００８３】
このように、光ガイド層を積層構造とすることにより、単層で形成するよりも微小な屈折率を制御できるので、素子特性や歩留まりが更に向上する。
【００８４】
（第４実施形態）
図６（ａ）は第４実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２４の断面構造を示し、図６（ｂ）はその半導体レーザ素子２４の層厚方向の屈折率プロファイルを示している。
【００８５】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２４は、ｐ型光ガイド層５Ｄが、厚さ１００Åのｐ型Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ層５Ｄ１と厚さ２０Åのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ層５Ｄ３との２層で、厚さ１００Åのｐ型Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層５Ｄ２（１層）を挾持した構造になっている点に特徴がある。ｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ層５Ｄ３は、その上に配置されたｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第１クラッド層６に接している。その他は、第１実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている（ｎ型光ガイド層３Ｄはｎ型光ガイド層３と同じものである。）。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ層５Ｄ３のバンドギャップエネルギが大きいので、この層５Ｄ３がキャリア障壁層として働いて、活性層４からのキャリアオーバーフローを抑制する。この結果、発振閾値電流が２０％減少した。
【００８７】
本実施形態では、キャリア障壁層ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５Ｄ３のＭｇ混晶比をｘ＝０．２５としたが、０＜ｘ≦０．３３の範囲にあれば、結晶性の悪化を生じることなく障壁層を形成することができる。
【００８８】
（第５実施形態）
図７（ａ）は第５実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２５の断面構造を示し、図７（ｂ）はその半導体レーザ素子２５の層厚方向の屈折率プロファイルを示している。
【００８９】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２５は、ｐ型光ガイド層５Ｅが、厚さ１００Åのｐ型Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層５Ｅ１と厚さ２０Åのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ層５Ｅ３との間に、厚さ５０Åのｐ型ＺｎＯ薄層５Ｅ２を挾持させた構造になっている点に特徴がある。その他は、第４実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている（ｎ型光ガイド層３Ｅはｎ型光ガイド層３と同じものである。）。
【００９０】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、第４実施形態と同様に、発振閾値電流が減少した。また、本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２５では、ｐ型光ガイド層５Ｅを構成するＺｎＯ薄層５Ｅ２が蒸発防止層として働くため、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層６形成中に活性層４が熱劣化しない。この結果、素子寿命が２０％向上した。
【００９１】
このように、ｐ型光ガイド層５Ｅを構成するＺｎＯ薄層５Ｅ２が蒸発防止効果を有するためには、ＭｇｘＺｎ１−ｘＯ層５Ｅ３よりも活性層４に近い位置に形成される必要がある。
【００９２】
（第６実施形態）
図８（ａ）は第６実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２６の断面構造を示し、図８（ｂ）はその半導体レーザ素子２６の層厚方向の屈折率プロファイルを示している。
【００９３】
本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２６は、ｐ型光ガイド層５Ｆが、結晶成長条件を連続的に変化させて形成された、連続的な組成傾斜を有する厚さ１００Åのｐ型ＣｄｘＺｎ１−ｘＯ層５Ｆ１（層成長につれてｘ＝０．０５→０．１と直線的に変化している。）と厚さ１００Åのｐ型ＣｄｙＺｎ１−ｙＯ層５Ｆ２（層成長につれてｙ＝０．１→０と直線的に変化している。）と、厚さ２０Åのｐ型Ｍｇ０．２５Ｚｎ０．７５Ｏ層５Ｆ３との３層からなる点に特徴がある。その他は、第５実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている（ｎ型光ガイド層３Ｆはｎ型光ガイド層３と同じものである。）。
【００９４】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、第５実施形態と同様に、発振閾値電流が減少した。さらに、本実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子２６では、結晶成長条件を連続的に変化させため結晶欠陥が低減し、第５実施形態に比べて素子寿命が２０％向上した。
【００９５】
なお、本実施形態では、ｐ型光ガイド層５Ｆを構成する層５Ｆ１，５Ｆ２の組成（混晶比）ｘが層厚方向に関していずれも直線的に変化するようにしたが、これに限られるものではない。ｐ型光ガイド層５Ｆを構成する層の組成が連続的な傾斜を有していれば、曲線的に変化しても本発明の効果を奏する。
【００９６】
（第７実施形態）
図示を省略するが、本実施形態の半導体レーザ素子では、活性層４を、厚さ５０ÅのＺｎＯ障壁層２層と厚さ４０ÅのＣｄ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ井戸層３層とを交互に積層した多重量子井戸構造を持つものとした。その他は、第６実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている。
【００９７】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、活性層４を量子井戸構造を持つものとしたので光学利得が増大して、第６実施形態に比べて発振閾値電流が３０％減少した。
【００９８】
一方、活性層４を量子井戸構造とし、ｎ型光ガイド層およびｐ型光ガイド層を共にＺｎＯ層で構成すると、本実施形態と同様に発振閾値電流は減少したが、５０個のうち３９個が異常な放射パターンを示し、歩留まりが大幅に低下した。
【００９９】
活性層４が上述の量子井戸構造のように薄層化された場合は、活性層４外への光のしみ出しが大きくなるため、光強度分布の非対称性を光ガイド層３，５によって補正して対称にすることは必要不可欠になる。本発明を適用すれば、活性層が薄厚である場合に生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、発振閾値電流の低い半導体発光素子を実現することができる。
【０１００】
（第８実施形態）
図示を省略するが、本実施形態の半導体レーザ素子では、基板１とｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層２との間に、厚さ０．５μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層が形成された。その他は、第７実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている。
【０１０１】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、上述のバッファ層を形成したので結晶性が向上し、第７実施形態に比べて発振閾値電流が１０％減少し、素子寿命が３０％向上した。
【０１０２】
一方、基板とｎ型クラッド層の間にｎ型ＺｎＯバッファ層を形成し、ｎ型およびｐ型光ガイド層を共にＺｎＯ層で構成すると、本実施形態と同様に発振閾値電流と素子寿命は改善したが、５０個のうち４１個が異常な放射パターンを示し、歩留まりが大幅に低下した。
【０１０３】
基板１とｎ型クラッド層２との間に、ＺｎＯ（室温におけるバンドギャップエネルギが約３．４ｅＶである。）のようなバンドギャップエネルギが小さい材料からなるバッファ層等を設けた場合、そのバンドギャップエネルギの小さい層材料が光強度分布の裾を吸収して非対称性を生じる傾向が強い。しかし、本発明を適用すれば、光強度分布の裾が吸収されることによって生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、バッファ層等の機能が十分に発揮された半導体発光素子を実現することができる。
【０１０４】
（第９実施形態）
図示を省略するが、本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第１クラッド層６とｐ型Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏエッチングストップ層と７の間に、自励発振を生じるように、厚さ３０Åのｐ型Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ量子井戸層より成る過飽和吸収層が形成された。その他は、第７実施形態と同様にして作製され、同じ構造になっている。
【０１０５】
本実施形態の半導体レーザ素子５０個について遠視野像の測定を行ったところ、５０個全数が正常な遠視野放射パターンを示した。また、過飽和吸収層を形成して自励発振を生ぜしめるようにしたので雑音特性性が向上し、第７実施形態に比べて相対雑音強度が３０％向上した。
【０１０６】
一方、同様の過飽和吸収層を形成し、ｎ型およびｐ型光ガイド層を共にＺｎＯ層で構成すると、本実施形態と同様に雑音特性は改善したが、５０個のうち３８個が異常な放射パターンを示し、歩留まりが大幅に低下した。
【０１０７】
ｐ型光ガイド層５より上方に、Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏのようなバンドギャップエネルギが小さい材料からなる過飽和吸収層等を設けた場合、そのバンドギャップエネルギの小さい層材料が光強度分布の裾を吸収して非対称性を生じる傾向が強い。しかし、本発明を適用すれば、光強度分布の裾が吸収されることによって生じ易い光強度分布の非対称性を補正して、対称な光強度分布を効果的に得ることができる。これにより、導波モードなどの光学特性を損うことなく、過飽和吸収層等の機能が十分に発揮された半導体発光素子を実現することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体発光素子は、層厚方向における光導波モードの制御性に優れ、特性が改善されたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図２】この発明の第１実施形態および比較例の半導体レーザ素子の遠視野放射パターンを示す図である。
【図３】この発明の第１実施形態および比較例の半導体レーザ素子の、活性層近傍の近視野像および屈折率プロファイルを示す図である。
【図４】この発明の第２実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の断面構造と屈折率プロファイルを示す図である。
【図５】この発明の第３実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の断面構造と屈折率プロファイルを示す図である。
【図６】この発明の第４実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の断面構造と屈折率プロファイルを示す図である。
【図７】この発明の第５実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の断面構造と屈折率プロファイルを示す図である。
【図８】この発明の第６実施形態のＺｎＯ系半導体レーザ素子の断面構造と屈折率プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１　ＺｎＯ単結晶基板
２　ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ　ｎ型光ガイド層
４　活性層
５，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ　ｐ型光ガイド層
６　ｐ型ＭｇＺｎＯ第１クラッド層
７　ｐ型ＣｄＺｎＯエッチングストップ層
８　ｐ型ＭｇＺｎＯ第２クラッド層
９　ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１０　ｎ型ＭｇＺｎＯ電流ブロック層
【図１】
2004140083.tif 000003
【図２】
2004140083.tif 000004
【図３】
2004140083.tif 000005
【図４】
2004140083.tif 000006
【図５】
2004140083.tif 000007
【図６】
2004140083.tif 000008
【図７】
2004140083.tif 000009
【図８】
2004140083.tif 000010