(57)【要約】【課題】素子寿命を延ばすことが出来、且つ、発振閾値電流を低減出来る信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】光共振器は、導波路の延在方向に垂直な光出射端面１１３および光反射端面１１４を有している。上記光出射端面１１３上には酸化物多層膜１１２Ａを、光反射端面１１４上には酸化物多層膜１１２Ｂを形成している。酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂは共に、ＭｇＯ層とＳｉＯ２層とを交互に積層して構成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を有する導波路と、
上記導波路の延在方向に垂直な光出射端面および光反射端面を有する光共振器とを備え、
上記光出射端面と上記光反射端面との少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜は非晶質膜または単結晶薄膜であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜は、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｇａ、ＳｉおよびＧｅの酸化物のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜は、上記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するＺｎＯ系半導体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜は、αβＯ３（α，βは単数または複数の原子）で表されるペロブスカイトと、上記αβＯ３に類似する構造を有する類似構造複酸化物とを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴａまたはＮｂを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＣｄ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｉのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項８】
請求項５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｃのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項９】
請求項５に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ペロブスカイトおよび上記類似構造複酸化物は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のいずれか１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜を構成する上記複数の層の１層当たりの層厚は、略λ／（４ｎ）（但し、λ：発振波長、ｎ：保護膜の屈折率）であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記複数の金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギが最も大きい上記金属酸化物が上記光出射端面または上記光反射端面に接していることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記光出射端面および上記光反射端面上に上記保護膜が形成され、
上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とは反射率が異なっていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記保護膜の反射率が５％〜３５％または７０％〜９５％の範囲内であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体レーザなどの半導体発光素子に関し、さらに詳しくは、発振閾値電流が低く信頼性に優れた酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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デバイスを実現出来る可能性がある。
【０００３】
なお、以下においてＺｎＯ系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００４】
半導体レーザ素子においては、光出射端面は１０５〜１０６Ｗ／ｃｍ２という極めて高密度な光エネルギに晒される。このため、上記光出射端面に微小な欠陥などがある場合でも、その微小な欠陥などがレーザ動作中に伝播増殖してしまう。ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた従来の半導体レーザ素子において、そのような欠陥の主な原因となるのは、光出射端面における酸化の進行である。すなわち、上記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する元素には、ＡｌやＧａなど酸化しやすい金属が含まれており、これらの金属が光出射端面に吸着した酸素と高い光エネルギ密度の基で反応し、母体半導体との結合を切って酸化物を形成する。このようにして生成された微小な欠陥が増殖を繰り返すと、光出射端面の半導体結晶が著しく破壊されて、素子が劣化に至る（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
上記酸化の進行による素子劣化を防止するためは、通常、半導体レーザ素子の光出射端面上に保護膜を形成する。この保護膜の材料としては、上述したような劣化メカニズムを考慮すると、光出射端面が酸素と接しないことが好ましいと考えられ、硫化物が用いられている（例えば、特許文献１〜４参照。）。
【０００６】
また、青色〜紫外領域の半導体レーザ素子として実用段階にあるＩＩＩ族窒化物系半導体は、化学的に極めて安定であるので光出射端面が高いエネルギ密度に晒されても損傷を生じにくく、保護膜を用いなくても信頼性の高い半導体レーザ素子を作製することが可能である。
【０００７】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９７４年，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１２，ｐ７０８
【特許文献１】
特開平４−３６９８８５号公報
【特許文献２】
特開平３−１４９８８９号公報
【特許文献３】
特開平４−０９１４８４号公報
【特許文献４】
特開平９−１２１０７６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＺｎＯ系半導体で構成されたＺｎＯ系半導体レーザ素子では、ＺｎＯ系半導体が酸化物半導体であるので、上記従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子のような酸化の進行による劣化が生じない。
【０００９】
しかし、本発明者らの検討によれば、ＺｎＯ系半導体レーザ素子において光出射端面上に保護膜を形成しないと、実用的な素子寿命を確保出来ないという問題がある。
【００１０】
そして、ＺｎＯ系半導体レーザ素子の光出射端面に従来の半導体レーザ素子と同様の保護膜を形成しても、光出射端面における欠陥の増殖を抑制出来ないことがわかった。
【００１１】
また、ＺｎＯ系半導体レーザ素子の端面反射率は、青色〜紫外光に対しておよそ２０％であり、上記従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の端面反射率３０％よりも小さい。このため、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、上記従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子に比べて反射損失が大きい。その結果、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子では、発振閾値電流が増大するという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、素子寿命を延ばすことが出来、且つ、発振閾値電流を低減出来る信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの詳細な検討によると、ＺｎＯ系半導体レーザ素子における光出射端面の劣化は、水分などの吸着による還元が主な原因であり、従来の酸化を防止する役割が大きい端面保護技術では、還元性の劣化を抑止出来ないと考えられる。
【００１４】
上記原因を考慮して、本発明者らは、実用的な素子寿命を確保出来でき、且つ、発振閾値電流を低減出来る信頼性に優れた酸化物半導体発光素子の構造を鋭意検討した。その結果、半導体レーザ素子の光出射端面を金属酸化物の保護膜で保護することにより上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１５】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層が順次積層され、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を有する導波路と、
上記導波路の延在方向に垂直な光出射端面および光反射端面を有する光共振器とを備え、
上記光出射端面と上記光反射端面との少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成されている
ことを特徴としている。
【００１６】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、活性層の両側の光ガイド層、エッチングストップ層、平坦化層およびキャップ層などを設けてもよいということを意味している。
【００１７】
また、本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００１８】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記金属酸化物はＺｎＯ系半導体との親和性が良く密着性に優れる。したがって、上記複数の金属酸化物層を含む保護膜を、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方の上に形成することにより、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方を還元雰囲気から保護することが出来る。つまり、還元雰囲気からの保護効果が高くなる。その結果、上記光出射端面と光反射端面との少なくとも一方において欠陥の増殖が抑制されて、素子寿命を延ばすことが出来る。つまり、長時間の駆動に対して信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００１９】
また、上記複数の金属酸化物層を含む保護膜を、光出射端面と光反射端面との少なくとも一方の上に形成することにより、素子の端面反射率が高くなり、反射損失が小さくなるので、発振閾値電流を低減出来る。
【００２０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記光出射端面からレーザ光を出射する。
【００２１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜が含む金属酸化物が非晶質または単結晶である。
【００２２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記金属酸化物は、非晶質または単結晶であるから、結晶粒界を含まない。これにより、上記光出射端面または光反射端面における欠陥の増殖が抑えられる。したがって、上記光出射端面または光反射端面に対する保護膜の保護効果を高く出来る。
【００２３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は非晶質膜または単結晶薄膜である。
【００２４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜は、非晶質膜または単結晶膜であるから、結晶粒界を含まない。これにより、上記光出射端面または光反射端面における欠陥の増殖が確実に抑えられる。したがって、上記光出射端面または光反射端面に対する保護膜の保護効果をより高く出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｅ（レニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｓｉ（シリコン）およびＧｅ（ゲルマニウム）の酸化物のうちの少なくとも１つを含んでいる。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜は、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｇａ、ＳｉおよびＧｅの酸化物のうちの少なくとも１つを含むので、非晶質または単結晶構造を取り易い。したがって、上記保護膜の結晶粒界を低減することが出来る。
【００２７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は、上記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するＺｎＯ系半導体を含んでいる。
【００２８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、例えばＭｇＺｎＯ混晶やＢｅＺｎＯ混晶は、ワイドギャップＺｎＯ系半導体であり、ＺｎＯとの親和性に優れて、金属酸化物誘電体に比べ屈折率が大きい。上記保護膜は、そのワイドギャップＺｎＯ系半導体を含むことにより、端面反射率を微細に制御出来る。したがって、上記保護膜は、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するＺｎＯ系半導体を含んでいるので、端面反射率を微細に制御することが出来る。その結果、光学特性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００２９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜は、αβＯ３（α，βは単数または複数の原子）で表されるペロブスカイトと、上記ペロブスカイトに類似する構造を有する類似構造複酸化物とを含んでいる。
【００３０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有する。このため、上記ペロブスカイトは、ＺｎＯ系半導体に対して親和性に優れ、ＺｎＯ系半導体との界面に欠陥の少ない保護膜を形成することが出来る。このような保護膜の材料としては、以下の（１）〜（３）の条件のうちのいずれか１つを満たすαβＯ３が好ましい。
（１）  上記αの元素がＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）およびＫ（カリウム）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴａまたはＮｂを含む。
（２）  上記αの元素がＣｄ（カドミウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）およびＢｉ（ビスマス）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎ（スズ）のうちの少なくとも１つを含んでいる。
（３）  上記αの元素がＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＩｎ（インジウム）、Ａｌ、ＧａおよびＳｃのうちの少なくとも１つを含んでいる。
【００３１】
ここで、希土類元素とは、周期表ＩＩＩ族に属するＳｃ（スカンジウム），Ｙ（イットリウム）およびランタノイドのＬａ（ランタン），Ｃｅ（セリウム），Ｐｒ（プラセオジム），Ｎｄ（ネオジウム），Ｐｍ（プロメチウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｅｕ（ユウロピウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｔｂ（テルビウム），Ｄｙ（ジスプロシウム），Ｈｏ（ホルミウム），Ｅｒ（エルビウム），Ｔｍ（ツリウム），Ｙｂ（イッテルビウム），Ｌｕ（ルテチウム）の１７元素を指し、アルカリ土類金属とは、周期表ＩＩ族元素のうちＣａ（カルシウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｂａ（バリウム），Ｒａ（ラジウム）の４元素を指す。
【００３２】
更には、上記ペロブスカイトおよび類似構造複酸化物は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＹＳｃＯ３のいずれか１つを含むことが特に好ましい。
【００３３】
以上述べたペロブスカイトおよび類似構造複酸化物は、ＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて少なく、高品質な保護膜を形成出来る。
【００３４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜を構成する上記複数の層の１層当たりの層厚は、略λ／（４ｎ）（但し、λ：発振波長、ｎ：保護膜の屈折率）である。
【００３５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜を構成する複数の層の１層当たりの層厚が略λ／（４ｎ）であるので、高い反射率を有する保護膜を少ない積層数で形成出来る。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記複数の金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギが最も大きい上記金属酸化物が上記光出射端面または上記光反射端面に接している。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記保護膜の反射率は、屈折率の大きな薄膜と小さな薄膜とを交互に積層して制御するが、一般に屈折率が小さい酸化物の方がバンドギャップエネルギが大きい。バンドギャップエネルギの大きい金属酸化物がＺｎＯ系半導体（光出射端面または光反射端面）と接していることにより、ＺｎＯ系半導体とのバンドギャップオフセットが大きいので、電流がリークするのを防止出来て、低電流化と端面損傷防止とが実現される。
【００３８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記光出射端面および上記光反射端面上に上記保護膜が形成され、上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とは反射率が異なっている。
【００３９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記光出射端面および光反射端面上に保護膜を形成するので、信頼性を更に向上させることが出来る。
【００４０】
また、上記光出射端面上に形成された上記保護膜と、上記光反射端面上に形成された上記保護膜とのうちの一方の端面を高反射面とし、他方を端面を低反射面とすることにより、損失を抑制して光出射効率を向上させることが出来る。
【００４１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記保護膜の反射率が５％〜３５％または７０％〜９５％の範囲内である。
【００４２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記光出射端面上に形成した保護膜の反射率を５％〜３５％に設定することにより、十分な光出力を確保出来る。
【００４３】
また、上記光反射端面上に形成した保護膜の反射率を７０％〜９５％に設定することにより、光出射効率を向上させることが出来る。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物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】
（実施形態１）
本実施形態１では、ＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【００４６】
図１に、本実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示し、図２に、上記半導体レーザ素子の模式側面図を示す。
【００４７】
上記半導体レーザ素子は、図１，２に示すように、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層１０２、Ｇａドーピング濃度が３×１０１８ｃｍ−３で厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が順次積層されている。
【００４８】
本実施形態１では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層１０５が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【００４９】
上記量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層は３層ある。
【００５０】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８、および、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７の上部は、リッジストライプ形状にエッチング加工され、側面がｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９によって埋め込まれている。つまり、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８と、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７の上部との両側には、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９が形成されている。上記ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９はＧａが３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００５１】
また、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１０１の下にはｎ型オーミック電極１１０が形成される一方、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９の上にはｐ型オーミック電極１１１が形成されている。
【００５２】
また、上記半導体レーザ素子は、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、量子井戸活性層１０５およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７を有する導波路と、この導波路の延在方向に垂直な光出射端面１１３および光反射端面１１４を有する光共振器とを備えている。上記光出射端面１１３および光反射端面１１４は劈開によって形成されている。また、上記光出射端面１１３上には保護膜の一例としての酸化物多層膜１１２Ａを形成すると共に、光反射端面１１４上にも保護膜の一例としての酸化物多層膜１１２Ｂを形成している。この酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂは共に、金属酸化物の一例としての厚さ６０ｎｍのＭｇＯ層と、金属酸化物の一例としての厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２層が交互に積層されて成っている。また、上記酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂは、波長４１０ｎｍの光に対する反射率が２０％となるように、ＭｇＯ層とＳｉＯ２層との層数が調整されている。
【００５３】
本実施形態１の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面１１３から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られた。そして、上記半導体レーザ素子において、発振閾値電流は４０ｍＡで、素子寿命（６０℃、光出力５ｍＷで連続発振させ、動作電流が初期値より２０％増大した時間で定義する）は５０００時間であった。
【００５４】
下表１に、前面（光出射端面）と後面（光出射端面）とを種々の多層膜で保護したりしなかったりした比較例１〜５の発振閾値電流および素子寿命を示す。
【００５５】
上記比較例１〜５においては、前面および後面の光反射率は、前後面共に端面保護を行わない場合（２０％）と同じになるように多層膜の積層数を調整した。
【００５６】
また、上記素子寿命は、６０℃、光出力５ｍＷ（連続発振）で動作電流が初期値より２０％増大した時間とする。
【００５７】
また、本実施形態１のＭｇＯ／ＳｉＯ２多層膜は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子端面（前面および後面）にＭｇＯ層が接しており、比較例２のＳｉ３Ｎ４／ＭｇＯ多層膜は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子端面にＳｉ３Ｎ４層が接している。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
上記表１の結果より、端面保護を行わない場合（比較例５）や硫黄処理のみを行った場合（比較例４）に比べ、前面および後面をＭｇＯを含む多層膜で端面保護した場合（本実施形態１や比較例１）の方が発振閾値電流が低く、素子寿命が向上することが判る。
【００６０】
また、本実施形態１と比較例３との比較より、酸化物多層膜は片端面のみより両端面に形成した方が保護効果が強いことが判る。つまり、上記前面と後面との一方に、ＭｇＯを含む多層膜で端面保護を行っても、前面および後面に端面保護を行わない場合よりも、素子寿命を延ばすことができるが、前面と後面との両方に、ＭｇＯを含む多層膜で端面保護を行えば、素子寿命を更に延ばすことが出来る。また、上記前面と後面との両方に、ＭｇＯを含む多層膜で端面保護を行うことにより、閾値電流の低減効果も得ることが出来る。
【００６１】
そして、本実施形態１と比較例１との比較より、保護膜は金属酸化物の積層によって構成された方が特性改善効果が高いことが判る。
【００６２】
更に、本実施形態１と比較例２との結果より、酸化物層がＺｎＯ系半導体レーザ素子端面と接した方が特性改善効果が高いことが判る。つまり、上記半導体レーザ素子の光出射端面や光反射端面に、多層膜が含む金属酸化物層を接触させることにより、特性改善効果を高めることが出来る。
【００６３】
以上の結果より、ＺｎＯ系半導体レーザ素子の光出射端面，光反射端面のうちの少なくとも一方の上に、屈折率が異なる複数の金属酸化物を含む多層膜が形成することにより、素子寿命が長くなって信頼性が向上することがわかる。この理由は、上記金属酸化物はＺｎＯ系半導体と同じ酸化物であるための親和性が良く密着性に優れ、特に複数の金属酸化物層より成る多層膜を光出射端面，光反射端面上に形成することにより、光出射端面，光反射端面を還元雰囲気から保護する効果が高くなるためと考えられる。
【００６４】
上記金属酸化物の結晶が粒界を含んでいると、高い光エネルギに晒された時に破壊されやすいため、非晶質または単結晶である金属酸化物を用いることが好ましい。また、上記光出射端面，光反射端面上に形成する多層膜が非晶質または単結晶薄膜であればより好ましい。
【００６５】
上記酸化物多層膜を構成する金属としては、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｇａ、ＳｉおよびＧｅなどが好ましい。これらの金属の金属イオンの多くは電子軌道が異方性を持たないので、上記金属の酸化物は非晶質または単結晶となりやすい。
【００６６】
本実施形態１において、ＭｇＯ層およびＳｉＯ２層は、それぞれ１層当りの層厚が略λ／（４ｎ）（λ：発振波長、ｎ：酸化物層の屈折率）となるように作製している。これにより、上記酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂでは、入射光に対する各境界（各層間の境界）からの反射光の位相が全て揃い、高い反射率が得られるので好ましい。
【００６７】
なお、上記酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂでの光反射は、入射光が屈折率の高い酸化物層から屈折率の低い酸化物層への境界では位相が変化しないのに対し、その逆では位相がπだけ変化する。
【００６８】
（実施形態２）
本実施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、厚さ５５ｎｍのＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層と厚さ４０ｎｍのＴｉＯ２層との交互積層で構成した酸化物多層膜を、上記酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂの代わりに用いた他は、上記実施形態１と同様に作製した。
【００６９】
本実施形態２の酸化物多層膜は、光出射端面および光反射端面にＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層が接するように形成されている。また、上記Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層とＴｉＯ２層との層数は、波長４１０ｎｍの光に対する酸化物多層膜の反射率が２０％となるように調整している。
【００７０】
本実施形態２の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流と素子寿命とは、上記実施形態１と同様であった。
【００７１】
比較例６として、光出射端面および光反射端面にＴｉＯ２層が接するように酸化物多層膜を形成した他は、本実施形態２と同様に半導体レーザ素子を作製した。この比較例２の半導体レーザ素子は、発振閾値電流が本実施形態２よりも２０％増大し、素子寿命が３０％短くなった。
【００７２】
比較例６の半導体レーザ素子では、ＴｉＯ２がＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏに比べてバンドギャップエネルギが小さいため、ＺｎＯ半導体からの漏れ電流によって特性が悪化したものと考えられる。したがって、多層膜を構成する金属酸化物のうち、バンドギャップエネルギの最も大きい金属酸化物がＺｎＯ半導体と接していることが好ましい。つまり、上記酸化物多層膜が含む複数の金属酸化物のうち、最もバンドギャップエネルギが大きい金属酸化物が光出射端面，光反射端面に接することが好ましい。
【００７３】
（実施形態３）
本実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、厚さ３５ｎｍのＣａＨｆＯ３層と厚さ５０ｎｍのＣｅＯ層との交互積層で構成した酸化物多層膜を、上記酸化物多層膜１１２Ａ，１１２Ｂの代わりに用いた他は、上記実施形態１と同様に作製した。
【００７４】
本実施形態３の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流と素子寿命とは上記実施形態１と同様であった。
【００７５】
図３（ａ）に、αβＯ３なる組成を有するペロブスカイト酸化物の表面構造を示す。また、図３（ｂ）に、ＺｎＯの表面構造を示す。
【００７６】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有する。このため、ペロブスカイトは、ＺｎＯ系半導体との親和性に優れ、ＺｎＯ界面に積層した際の結晶欠陥が極めて小さい。
【００７７】
このようなペロブスカイトのαβＯ３は、次の（ａ）〜（ｃ）の条件のうちの何れか１つを満たすことが好ましい。
（ａ）  上記αの元素はＬｉ、ＮａおよびＫより選択された１つ以上を含み、且つ、上記βの元素はＴａまたはＮｂを含む。
（ｂ）  上記αの元素はＣｄ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｉより選択された１つ以上を含み、且つ、上記βの元素はＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎより選択された１種つ以上を含む。
（ｃ）  上記αの元素はＢｉ、希土類およびアルカリ土類より選択された１つ以上を含み、且つ、上記βの元素はＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｃより選択された１つ以上を含む。
【００７８】
特に、上記αβＯ３は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のいずれか１つであれば、六角形の格子形状がＺｎＯ（０００１）面と整合し易くなり、界面欠陥の極めて少ない高品質な多層反射膜を形成出来る。
【００７９】
（実施形態４）
本実施形態４のＺｎＯ系半導体レーザ素子では、ＭｇＯ層とＳｉＯ２層との層数を調整することにより、光出射端面上の酸化物多層膜の反射率を１０％とし、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を８０％とした他は、上記実施形態１と同様にして本発明の酸化物半導体発光素子を作製した。
【００８０】
本実施形態４の半導体レーザ素子に電流を流したところ、光出射端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られた。また、上記半導体レーザ素子は、発振閾値電流が上記実施形態１に比べ２０％低減し、素子寿命が上記実施形態１に比べ２０％長くなった。
【００８１】
本実施形態４で示したように、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を高くする一方、光出射端面上の酸化物多層膜の反射率を低くすることにより、光出射効率を向上させることが出来る。
【００８２】
本発明の保護膜の一例としての酸化物多層膜は、ＺｎＯ系半導体レーザ素子を還元雰囲気から保護するのみならず、積層数によって反射率を制御することが出来、反射損失を低減して発振閾値電流を下げ、信頼性に優れた半導体レーザ素子を作製出来る。
【００８３】
上記光出射端面上の酸化物多層膜の反射率が５％〜３５％であれば、十分な光出力を確保出来る。また、上記光反射端面上の酸化物多層膜の反射率が７０％以上であれば、十分な反射率を確保出来る。但し、半導体レーザ素子の光出力をモニタするために光反射端面からの光出力を受光素子で検出する場合には、光反射端面上の酸化物多層膜の反射率を９５％以下にすると好ましい。
【００８４】
（実施形態５）
本実施形態５では、面発光型のＺｎＯ系半導体レーザ素子に本発明を適用した一例について説明する。
【００８５】
図４に、本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。この半導体レーザ素子は基板側から発振光を取り出す構造になっており、図４に示された構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、図４において、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１下の複数の成長層では、図中上側の成長層が図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。
【００８６】
以下では、基板上に上記複数の成長層が形成されているものとして説明を行う。つまり、以下の説明の上下は図４における上下とは逆となる。
【００８７】
上記面発光型半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１上に、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層２０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｎ型ＺｎＯバッファ層２０３、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０４、ノンドープ量子井戸活性層２０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層２０６、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層２０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２０８、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９がこの順で積層されている。
【００８８】
本実施形態５では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層２０４が第１導電型クラッド層の一例に、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層２０２のｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１側の表面が光出射端面の一例に、量子井戸活性層２０５が活性層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当している。また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層２０６とｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２０８が第２導電型クラッド層の一例を構成している。
【００８９】
上記量子井戸活性層２０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層２層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層３層とが交互に積層されている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層が３層ある。
【００９０】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２０８は円柱状にエッチング加工され、側面がｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層２１０によって埋め込まれている。つまり、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２０８は、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板２０１の表面と略平行な方向においてｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層２１０で取り囲まれている。このｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層２１０は、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００９１】
上記ｎ型ＺｎＯ基板２０１下にはｎ型オーミック電極２１１が形成されている。このｎ型オーミック電極２１１およびｎ型ＺｎＯ基板２０１では、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層２１８直下に対応する部分がエッチングで除去されて開口部が形成されている。このエッチングにより露出したＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層２０７下に、保護膜の一例としての多層反射膜２１２を形成している。この多層反射膜２１２は、金属酸化物の一例としてのＣａＺｒＯ３と、金属酸化物の一例としてのＡｌ２Ｏ３との交互積層で構成されている。また、上記多層反射膜２１２は、波長４００ｎｍの発光に対する反射率が２０％となるように、ＣａＺｒＯ３およびＡｌ２Ｏ３の層数が調整されている。
【００９２】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層２０９上には、ｐ型オーミック電極２１３、Ａｇ高反射電極２１４およびＡｕパッド電極２１５が順次形成されている。上記Ａｇ高反射膜２１４は波長２００ｎｍの発光に対する反射率が９５％である。
【００９３】
本実施形態５の半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口部から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。
【００９４】
比較例７として、多層反射膜２１２を形成しない他は、本実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例７の面発光型半導体レーザ素子は、本実施形態５に比べて発振閾値電流が１０％増大し、素子寿命が１／１０になった。
【００９５】
比較例８として、多層反射膜２１２をＳｉ３Ｎ４とＡｌＮとの交互積層で構成した他は、本実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例８の面発光型半導体レーザ素子は、発振閾値電流は本実施形態５と略同じであったが、素子寿命が本実施形態５よりも２０％短かくなった。
【００９６】
本実施形態５の結果より、面発光型のＺｎＯ系半導体レーザ素子に対しても本発明は効果を有し、光出射端面に金属酸化物を含む多層膜が形成されることにより、素子寿命が長くなって信頼性が向上することがわかる。
【００９７】
上記実施形態１〜４で述べた好ましい条件は、本実施形態５に用いてもよいのは言うまでもない。
【００９８】
また、本実施形態５では、Ａｇ高反射電極２１４が光反射端面の一例に相当している。
【００９９】
上記実施形態１〜５の半導体レーザ素子は、基板上に、少なくとも、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層が順次積層される構造を有していたが、基板上に、少なくとも、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層が順次積層される構造を有してもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、光共振器が有する光出射端面，光反射端面のうちの少なくとも一方の上に、屈折率の異なる複数の金属酸化物を含むと共に、複数の層から成る保護膜が形成されているので、保護膜とＺｎＯ系半導体との親和性が良いと共に、保護膜において還元雰囲気からの保護効果が高い。したがって、素子寿命を延ばすことが出来、且つ、発振閾値電流を低減出来る。つまり、長時間の駆動に対して信頼性に優れた酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２】図２は上記実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式側面図である。
【図３】図３（ａ）はペロブスカイト酸化物の表面構造を表す図であり、図３（ｂ）はＺｎＯの表面構造を表す図である。
【図４】図４は本発明の実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１  ｎ型ＺｎＯ単結晶基板
１０３，２０４  ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層
１０５，２０５  量子井戸活性層
１０７  ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７
１０８，２０９  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
１１３  光出射端面
１１４  光反射端面
２０６  ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層
２０８  ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層
２１２  多層反射膜
【図１】
2004363320.tif 000004
【図２】
2004363320.tif 000005
【図３】
2004363320.tif 000006
【図４】
2004363320.tif 000007