(57)【要約】【課題】レーザ光の安定化を図るとともに、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】この窒化物系半導体レーザ素子は、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１と、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成されたアンドープのｎ型クラッド層３と、アンドープのｎ型クラッド層３上に形成された窒化物系半導体からなるＭＱＷ活性層４１と、ＭＱＷ活性層４１上に形成されたｐ型クラッド層５と、ｐ型クラッド層５とＭＱＷ活性層４１との間に形成され、約０．１μｍの膜厚を有するｐ側光ガイド層４２と、アンドープのｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間に形成され、ｐ側光ガイド層４２の膜厚よりも小さい約０．０５μｍの膜厚を有するｎ側光ガイド層４４とを備えている。【選択図】図９
2004111853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、
前記基板上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に形成され、第１の厚みを有するｐ側光ガイド層と、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に形成され、前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有するｎ側光ガイド層とを備えた、窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２】
不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、
前記基板上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、
前記活性層と、前記ｎ型クラッド層および前記ｐ型クラッド層との間のうち、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層とを備えた、窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板は、前記活性層で発生した光の一部を吸収する、請求項１または２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板にドープされた不純物は、酸素である、請求項３に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型クラッド層は、アンドープである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層には、Ｇｅがドープされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に形成され、アンドープの窒化物系半導体からなる層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記基板と前記ｎ型クラッド層との間に形成され、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記基板は、ＧａＮ基板およびＺｒＢ２基板のいずれかを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関し、特に、基板上に窒化物系半導体層が形成される窒化物系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待されており、その開発が盛んに行われている。従来では、サファイア基板上に、窒化物系半導体各層を成長させることにより窒化物系半導体レーザ素子を形成する方法が知られている。この場合、サファイア基板と窒化物系半導体層との格子不整合を緩和するために、サファイア基板と窒化物系半導体層との間に低温バッファ層を形成する技術が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。また、従来、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を設けることによって、垂直方向の光の閉じ込めを強化する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１８は、従来の窒化物系半導体レーザ素子の一例を示した断面図であり、図１９は、図１８に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。まず、図１８および図１９を参照して、従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【０００４】
従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、図１８に示すように、サファイア基板１０１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる低温バッファ層１０２が形成されている。低温バッファ層１０２上には、約４μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０３が形成されている。このｎ型コンタクト層１０３は、一部領域が除去されることによって、露出された表面と凸部とを有する。そして、ｎ型コンタクト層１０３の凸部上には、約５０ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラック防止層１０４が形成されている。ｎ型クラック防止層１０４上には、約０．５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるｎ型クラッド層１０５が形成されている。ｎ型クラッド層１０５上には、発光層１０６が形成されている。
【０００５】
この発光層１０６は、図１９に示すように、ｎ型光ガイド層１６１と、ｎ型光ガイド層１６１上に形成されたＭＱＷ（多重量子井戸）活性層１６２と、ＭＱＷ活性層１６２上に形成されたｐ型キャップ層１６３と、ｐ型キャップ層１６３上に形成されたｐ型光ガイド層１６４とから構成されている。ｎ型光ガイド層１６１は、約１００ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなる。そして、ＭＱＷ活性層１６２は、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる４つの障壁層１６２ａと、約２．５ｎｍの膜厚を有するＳｉがドープされたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる３つの井戸層１６２ｂとが交互に積層されている。また、ｐ型キャップ層１６３は、約１０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる。このｐ型キャップ層１６３は、ＭＱＷ活性層１６２のＩｎが脱離するのを防止することによってＭＱＷ活性層１６２の結晶の劣化を防止する機能を有する。また、ｐ型光ガイド層１６４は、約１００ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる。
【０００６】
そして、図１８に示すように、発光層１０６（ｐ型光ガイド層１６４）上には、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるｐ型クラッド層１０７が形成されている。このｐ型クラッド層１０７は、一部領域が除去されることによって、凸形状に形成されている。そして、ｐ型クラッド層１０７の凸部上には、約０．５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０８が形成されている。このｐ型コンタクト層１０８とｐ型クラッド層１０７の凸部とによって、リッジ部１０９が構成されている。
【０００７】
そして、ｎ型コンタクト層１０３の露出している表面の一部領域上と、ｎ型クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、発光層１０６およびｐ型コンタクト層１０８の側面上と、ｐ型クラッド層１０７の表面上とに、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層１１０が形成されている。そして、ｐ型コンタクト層１０８上には、ｐ側オーミック電極１１１が形成されている。このｐ側オーミック電極１１１の表面上と電流ブロック層１１０の表面の一部領域上とを覆うように、ｐ側パッド電極１１２が形成されている。また、ｎ型コンタクト層１０３の露出している表面の一部領域上には、ｎ側オーミック電極１１３が形成されている。ｎ側オーミック電極１１３の上面上には、ｎ側パッド電極１１４が形成されている。
【０００８】
ここで、図１８に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、ｐ側パッド電極１１２とｎ側パッド電極１１４との間に順方向に電圧を印加することによって、ｐ側パッド電極１１２からｐ側オーミック電極１１１、窒化物系半導体各層（１０８〜１０３）およびｎ側オーミック電極１１３を介して、ｎ側パッド電極１１４に電流が流れる。これにより、発光層１０６でレーザ光が発生する。この場合、発光層１０６内の光は、ＭＱＷ活性層１６２とｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７との間の屈折率差によって、垂直方向に閉じ込められる。
【０００９】
また、ＭＱＷ活性層１６２とｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７との間に、それぞれ、ＭＱＷ活性層１６２とｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７との中間の屈折率を有するｎ型光ガイド層１６１およびｐ型光ガイド層１６４を設けることによって、垂直方向の光の閉じ込めを強化することができるので、高密度の光を発光層１０６内に閉じ込めることができる。
【００１０】
また、従来では、窒化物系半導体レーザ素子の他の例として、ｎ型ＳｉＣからなる基板上に、窒化物系半導体各層が形成された窒化物系半導体レーザ素子が知られている（たとえば、特許文献２参照）。また、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板上に、窒化物系半導体各層が形成された窒化物系半導体レーザ素子も知られている。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｈ．Ａｍａｎｏ他：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８，３５３（１９８６）
【特許文献１】
特開平１０−２９４５２９号公報
【特許文献２】
特開平１１−３４０５８０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１８に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、ｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７に用いられるＡｌＧａＮやＭＱＷ活性層１６２に用いられるＩｎＧａＮは、Ａｌ組成およびＩｎ組成を大きくすると結晶性が著しく劣化するという不都合があった。これにより、Ａｌ組成およびＩｎ組成を大きくすることによって、ＭＱＷ活性層１６２とｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７との間の屈折率差を大きくするのは困難であった。このため、たとえ、ＭＱＷ活性層１６２とｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７との間に、ｎ型光ガイド層１６１およびｐ型光ガイド層１６４を設けたとしても、光の閉じ込めは不十分になるという不都合があった。
【００１３】
上記のように、従来では、光の閉じ込めが不十分であるので、ＭＱＷ活性層１６２を含む発光層１０６からｎ型クラッド層１０５およびｐ型クラッド層１０７に光がしみ出しやすい。そして、従来では、発光層１０６からしみ出した光の一部が透明なサファイア基板１に伝播することによって、レーザ光に悪影響を及ぼすと考えられる。具体的には、光強度の空間的分布が良好な単峰性にならないとともに、レーザ光自体が不安定になり、素子駆動中にレーザ光の形状やレーザ光のスポット位置が変化するという問題点があった。その結果、レーザ光の安定化を図るのが困難であった。
【００１４】
また、サファイア基板１０１とｎ型コンタクト層１０３との間の格子不整合を緩和するために設けられた低温バッファ層１０２自体に多量の転位が発生するため、低温バッファ層１０２において、光の散乱や吸収が発生するという不都合もあった。これによっても、レーザ光の安定化を図るのが困難であった。
【００１５】
また、図１８に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子では、ｐ型ドーパントとしてのＭｇやＺｎなどがドープされたＡｌを含むｐ型窒化物系半導体層は、膜厚を大きくすると、クラックなどが発生することにより結晶性が大幅に劣化する。このため、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０７の膜厚は、数百ｎｍに抑えておく必要があるので、発光層１０６とｐ側オーミック電極１１１との距離を大きくするのが困難であった。このように、従来では、発光層１０６とｐ側オーミック電極１１１との距離が小さいので、発光層１０６の近傍の大きい強度を有する光がｐ側オーミック電極１１１に吸収されるという不都合があった。また、この場合、窒化物系半導体レーザ光の発光波長は、赤外や赤色半導体レーザ光よりも波長が小さいので、窒化物系半導体レーザ光は、ｐ側オーミック電極１１１によって、より吸収されやすいという不都合もあった。その結果、しきい値電流や動作電流が増大するという問題点もあった。
【００１６】
また、従来のＧａＡｓやＳｉなどからなる基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子では、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板は、活性層のバンドギャップ（ＭＱＷ構造の場合は、井戸層の量子準位）よりも十分に小さいバンドギャップを有するので、サファイア基板の場合と異なり、発光層からしみ出した光を基板に吸収させることが可能である。しかしながら、ＧａＡｓやＳｉなどのバンドギャップは、発光波長のバンドギャップに対して小さすぎるため、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板での光吸収が過大になるという不都合がある。その結果、しきい値電流や動作電流が増大するという問題点がある。
【００１７】
また、上記特許文献２に開示されたＳｉＣからなる基板を用いた従来の窒化物系半導体レーザ素子では、ＳｉＣからなる基板は、窒化物系半導体からなる活性層と同等のバンドギャップを有するとともに、光を吸収しにくい間接遷移型半導体であるので、発光層からしみ出した光を、基板で有効に吸収させるのが困難である。その結果、レーザ光が不安定になるという問題点がある。
【００１８】
また、ＭｇやＺｎなどがドープされたｐ型窒化物系半導体は、ｎ型ドーパントがドープされたｎ型窒化物系半導体に比べて深い不純物準位を有するので、ｐ型窒化物系半導体層での光吸収が大きくなる。このため、基板側にｐ型窒化物系半導体各層を形成した場合に、発光層からしみ出した光を基板に効率的にしみ出させるのが困難であるという問題点がある。
【００１９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、レーザ光の安定化を図るとともに、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することである。
【００２０】
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体レーザ素子において、活性層で発生した光を基板側に優先的にしみ出させることである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、基板上に形成されたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層と活性層との間に形成され、第１の厚みを有するｐ側光ガイド層と、ｎ型クラッド層と活性層との間に形成され、第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有するｎ側光ガイド層とを備えている。
【００２２】
この第１の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、ｎ型クラッド層と活性層との間に、ｐ側光ガイド層の第１の厚みよりも小さい第２の厚みを有するｎ側光ガイド層を設けることによって、ｎ側光ガイド層の光閉じ込め係数がｐ側光ガイド層の光閉じ込め係数よりも小さくなるので、活性層で発生した光を優先的にｎ側光ガイド層が形成される基板側にしみ出させることができる。これにより、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、バンド内遷移（価電子帯内または伝導帯内の遷移）またはバンド間遷移（価電子帯から伝導帯への遷移）により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。
【００２３】
また、活性層で発生した光を優先的に基板側にしみ出させることができるので、基板と反対側のｐ側電極による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、窒化物系半導体または硼化物系材料からなる基板は、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、ｐ型クラッド層よりも浅い不純物準位を有するｎ型クラッド層を基板側に設けることによって、基板側にしみ出された光がｎ型クラッド層で吸収されるのを抑制することができるので、光を効率的に基板側にしみ出させることができる。
【００２４】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子は、不純物がドープされた窒化物系半導体、および、硼化物系材料のいずれか一方からなる基板と、基板上に形成されたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に形成された窒化物系半導体からなる活性層と、活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、活性層と、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層との間のうち、活性層とｐ型クラッド層との間にのみ形成された光ガイド層とを備えている。
【００２５】
この第２の局面による窒化物系半導体レーザ素子では、上記のように、活性層と、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層との間のうち、活性層とｐ型クラッド層との間にのみ光ガイド層を設けることによって、ｎ側の光ガイド層が存在しないので、活性層で発生した光をより優先的に基板側にしみ出させることができる。これにより、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、バンド内遷移（価電子帯内または伝導帯内の遷移）またはバンド間遷移（価電子帯から伝導帯への遷移）により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。
【００２６】
また、活性層で発生した光を優先的に基板側にしみ出させることができるので、基板と反対側のｐ側電極による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、窒化物系半導体または硼化物系材料からなる基板は、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、ｐ型クラッド層よりも浅い不純物準位を有するｎ型クラッド層を基板側に設けることによって、基板側にしみ出された光がｎ型クラッド層で吸収されるのを抑制することができるので、光を効率的に基板側にしみ出させることができる。
【００２７】
また、ｎ側の光ガイド層を設けていないので、ｎ型クラッド層と活性層との間でバンドギャップが段階的に変化しない。このため、活性層に注入された正孔は、ｎ型クラッド層と活性層との間のバンドギャップ差を越えにくくなるので、正孔のｎ型クラッド層へのオーバーフローを抑制することができる。これにより、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００２８】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板は、活性層で発生した光の一部を吸収する。このように構成すれば、基板側にしみ出された光を、容易に、不純物がドープされた窒化物系半導体からなる基板の不純物準位により吸収させることができる。この場合、好ましくは、基板にドープされた不純物は、酸素である。このように構成すれば、酸素によって基板に不純物準位を効果的に形成することができるので、基板にしみ出した光を有効に吸収することができる。これにより、レーザ光をより安定化することができる。また、硼化物系材料からなる基板の場合には、基板側にしみ出された光を、容易に、バンド内遷移（価電子帯内または伝導帯内の遷移）またはバンド間遷移（価電子帯から伝導帯への遷移）により吸収させることができる。
【００２９】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、ｎ型クラッド層は、アンドープである。なお、本発明の「アンドープ」は、不純物を意図的にドープしていないことを意味する。したがって、不純物が全くドープされていない場合のみならず、意図しないで不純物が少量混入している場合も、本発明の「アンドープ」に該当する。このように構成すれば、ｎ型クラッド層上に形成される活性層の結晶性を向上させることができるので、発光効率を向上させることができる。また、ｎ型クラッド層上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、ｎ型クラッド層に不純物準位が形成されないので、ｎ型クラッド層での光吸収を抑制することができる。
【００３０】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、ｎ型クラッド層には、Ｇｅがドープされている。このように構成すれば、Ｇｅは、窒化物系半導体と格子定数が近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、ｎ型クラッド層上に形成される活性層の結晶性を向上させることができるので、発光効率を向上させることができる。また、ｎ型クラッド層上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Ｇｅのドーピング量を制御することにより、容易に、ｎ型クラッド層の抵抗値を制御することができる。
【００３１】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板とｎ型クラッド層との間に形成され、アンドープの窒化物系半導体からなる層をさらに備える。このように構成すれば、その層上に形成されるｎ型クラッド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ型クラッド層での光吸収を抑制することができる。また、アンドープの窒化物系半導体層上のｎ型クラッド層上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、アンドープの窒化物系半導体からなる層を設けることによって、活性層と基板との距離を調整することができるので、基板における光吸収の量を容易に制御することができる。
【００３２】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板とｎ型クラッド層との間に形成され、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層をさらに備える。このように構成すれば、Ｇｅは、窒化物系半導体と格子定数が近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層上に形成されるｎ型クラッド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ型クラッド層での光吸収を抑制することができる。また、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体層上のｎ型クラッド層上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Ｇｅのドーピング量を制御することにより、容易に、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層の抵抗値を制御することができる。
【００３３】
上記の窒化物系半導体レーザ素子において、好ましくは、基板は、ＧａＮ基板およびＺｒＢ２基板のいずれかを含む。このように構成すれば、ＧａＮまたはＺｒＢ２は、その上に形成されるｎ型クラッド層および活性層を構成する窒化物系半導体と格子定数が近いため、ｎ型クラッド層および活性層の結晶性を向上させることができる。また、基板上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。これにより、ｎ型クラッド層およびｎ側光ガイド層による光吸収を抑制することができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、ＧａＮ基板またはＺｒＢ２基板は、ＧａＳｉやＳｉなどからなる基板と異なり、基板での光吸収が過大になることがないので、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図であり、図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００３６】
第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１に示すように、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面上に、約１μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮ層２が形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板１は、本発明の「窒化物系半導体からなる基板」の一例であり、アンドープＧａＮ層２は、本発明の「アンドープの窒化物系半導体からなる層」の一例である。そして、アンドープＧａＮ層２上には、約１μｍの膜厚を有するアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるアンドープのｎ型クラッド層３が形成されている。アンドープのｎ型クラッド層３上には、発光層４が形成されている。
【００３７】
ここで、第１実施形態では、図２に示すように、発光層４内に、ｎ側の光ガイド層が設けられていない。すなわち、発光層４は、多重量子井戸構造を有するＭＱＷ活性層４１と、ＭＱＷ活性層４１上に形成されたｐ側光ガイド層４２と、ｐ側光ガイド層４２上に形成されたｐ型キャリアブロック層４３とから構成されている。なお、ＭＱＷ活性層４１は、本発明の「活性層」の一例であり、ｐ側光ガイド層４２は、本発明の「光ガイド層」の一例である。
【００３８】
そして、ＭＱＷ活性層４１は、約３．５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる３つの量子井戸層４１ａと、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる３つの量子障壁層４１ｂとが交互に積層されている。ここで、Ｘ＞Ｙであり、Ｘ＝０．１５、Ｙ＝０．０５である。また、ｐ側光ガイド層４２は、約０．１μｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる。そして、ｐ型キャリアブロック層４３は、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる。そして、この発光層４において、ｐ側光ガイド層４２に閉じ込められる光エネルギの割合である光閉じ込め係数は、約０．３５である。
【００３９】
また、図１に示すように、発光層４（ｐ型キャリアブロック層４３）上には、ＭｇがドープされたＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層５が形成されている。このｐ型クラッド層５は、一部領域が除去されることによって、凸形状に形成されている。そして、ｐ型クラッド層５の凸部の膜厚は、約０．３５μｍであり、凸部以外の領域の膜厚は、約０．０５μｍである。また、ｐ型クラッド層５の凸部の幅は、約１．５μｍである。そして、ｐ型クラッド層５の凸部上には、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｐ型コンタクト層６が形成されている。そして、ｐ型クラッド層５の凸部とｐ型コンタクト層６とによって、電流通路となるリッジ部７が構成されている。このリッジ部７の側面上とｐ型クラッド層５の露出している表面上とには、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層８が形成されている。
【００４０】
そして、リッジ部７を構成するｐ型コンタクト層６上には、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極９が、ストライプ状（細長状）に形成されている。また、ｐ側オーミック電極９の表面上と電流ブロック層８の表面の一部領域上とには、ｐ側オーミック電極９の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１０が形成されている。
【００４１】
また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１１が形成されている。ｎ側オーミック電極１１の裏面上には、ｎ側オーミック電極１１に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１２が形成されている。
【００４２】
第１実施形態では、上記のように、ＭＱＷ活性層４１とｐ型クラッド層５との間にのみ光ガイド層（ｐ側光ガイド層４２）を設けることによって、ｎ側の光ガイド層が存在しないので、ＭＱＷ活性層４１で発生した光を優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出された光を、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、ＭＱＷ活性層４１で発生した光を優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができるので、ｎ型ＧａＮ基板１と反対側のｐ側オーミック電極９による光吸収を抑制することができる。これにより、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１は、ＧａＡｓやＳｉなどからなる基板と異なり、ｎ型ＧａＮ基板１での光吸収が過大になることがないので、これによっても、しきい値電流や動作電流の増大を抑制することができる。また、ｎ側の光ガイド層を設けていないので、アンドープのｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間でバンドギャップが段階的に変化しない。このため、ＭＱＷ活性層４１に注入された正孔は、ｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間のバンドギャップ差を越えにくくなるので、正孔のｎ型クラッド層３へのオーバーフローを抑制することができる。これにより、温度が上昇したとしても、しきい値電流が増加するのを抑制することができる。その結果、素子の温度特性を向上させることができる。
【００４３】
また、第１実施形態では、上記のように、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１を用いることによって、ｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出された光を、容易に、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の不純物準位により吸収させることができる。また、不純物として酸素をドープすることによって、酸素によってｎ型ＧａＮ基板１に不純物準位を効果的に形成することができるので、ｎ型ＧａＮ基板１にしみ出した光を有効に吸収することができる。
【００４４】
また、第１実施形態では、上記のように、ｎ型クラッド層３をアンドープにするとともに、そのアンドープのｎ型クラッド層３をアンドープＧａＮ層２上に形成することによって、アンドープのｎ型クラッド層３の結晶性を向上させることができ、かつ、その上に形成されるＭＱＷ活性層４１の結晶性も向上させることができる。これにより、ｎ型クラッド層３での光吸収を抑制することができるとともに、ＭＱＷ活性層４１の発光効率を向上させることができる。また、アンドープのｎ型クラッド層３およびアンドープＧａＮ層２には不純物準位が形成されないので、これによっても、ｎ型クラッド層３での光吸収を抑制することができる。また、アンドープＧａＮ層２での光吸収も抑制することができる。また、アンドープＧａＮ層２の膜厚を調節することによって、発光層４とｎ型ＧａＮ基板１との距離を所定の距離（第１実施形態では、約２μｍ）に調整することができるので、ｎ型ＧａＮ基板１における光吸収の量を容易に制御することができる。
【００４５】
また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の材料であるＧａＮの格子定数と、その上に形成されるアンドープのｎ型クラッド層３およびＭＱＷ活性層４１を構成する窒化物系半導体の格子定数とが近いので、これによっても、ｎ型クラッド層３およびＭＱＷ活性層４１の結晶性を向上させることができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、ｐ側光ガイド層４２をＧａＮの格子定数よりも大きい格子定数を有するＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎにすることによって、ＧａＮよりも小さい格子定数を有するｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層５に発生した格子歪を補償することができる。これにより、ｐ型キャリアブロック層４３およびｐ型クラッド層５の結晶性を向上させることができる。また、ｐ型クラッド層５上に形成されるｐ型コンタクト層６の結晶性も向上させることができる。さらに、ｐ側光ガイド層４２をアンドープにすることによって、ｐ側光ガイド層４２には、不純物準位が形成されない。その結果、ｐ側光ガイド層４２、ｐ型キャリアブロック層４３、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６での光吸収が抑制されるので、これによっても、ＭＱＷ活性層４１で発生した光を優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができる。
【００４７】
図３〜図８は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１〜図８を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００４８】
まず、図３に示すように、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相堆積法）を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１上に、アンドープＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６を順次形成する。
【００４９】
具体的には、ｎ型ＧａＮ基板１を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面上に、約１μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮ層２を形成する。続いて、アンドープＧａＮ層２上に、約１μｍの膜厚を有するアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層３を形成する。
【００５０】
次に、図２に示したように、基板温度を約８５０℃の成長温度に保持した状態で、アンドープのｎ型クラッド層３上に、約３．５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる３つの量子井戸層４１ａと、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる３つの量子障壁層４１ｂとを交互に成長させる。これにより、ｎ型クラッド層３上に、ＭＱＷ活性層４１が形成される。続いて、ＭＱＷ活性層４１上に、約０．１μｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｐ側光ガイド層４２を成長させる。
【００５１】
次に、基板温度を約９５０℃の成長温度に保持した状態で、ｐ側光ガイド層４２上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるｐ型キャリアブロック層４３を成長させる。
【００５２】
次に、図３に示したように、基板温度を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、発光層４（ｐ型キャリアブロック層４３）上に、約０．３５μｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層５を成長させる。続いて、ｐ型クラッド層５上に、約３ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｐ型コンタクト層６を成長させる。
【００５３】
次に、図４に示すように、プラズマＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相堆積法）を用いて、ｐ型コンタクト層６上のほぼ全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ２膜１３を形成する。さらに、ＳｉＯ２膜１３上に、フォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、約１．５μｍの幅を有するストライプ状（細長状）のレジストパターン１４を形成する。
【００５４】
次に、ＣＦ４ガスによるＲＩＥ法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング法）を用いて、レジストパターン１４をマスクとして、ＳｉＯ２膜１３をエッチングする。これにより、図５に示すように、約１．５μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ２膜１３が形成される。この後、レジストパターン１４を除去する。
【００５５】
次に、図６に示すように、Ｃｌ２ガスによるＲＩＥ法を用いて、ＳｉＯ２膜１３をマスクとして、ｐ型コンタクト層６およびｐ型クラッド層５の一部領域をエッチング除去することにより、リッジ部７が形成される。このとき、ｐ型クラッド層５の凸部以外の領域の膜厚が、約０．０５μｍになるように、エッチング深さを制御する。この後、ＨＦ系エッチャントを用いて、ＳｉＯ２膜１３を除去する。
【００５６】
次に、図７に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６の表面を覆うように、約０．２μｍの膜厚を有するＳｉＯ２膜（図示せず）を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびＣＦ４ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｐ型コンタクト層６の上面が露出するように、そのＳｉＯ２膜の一部を除去することによって、ＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層８が形成される。
【００５７】
次に、図８に示すように、真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層６上に、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極９を、ストライプ状に形成する。そして、真空蒸着法を用いて、ｐ側オーミック電極９の表面上と電流ブロック層８の表面の一部領域上とに、ｐ側オーミック電極９の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極１０を形成する。
【００５８】
最後に、図１に示したように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研磨することによって、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の厚み（たとえば、約１００μｍ）にする。この後、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１に近い方から順に、約６ｎｍの膜厚を有するＡｌ層と、約２ｎｍの膜厚を有するＳｉ層と、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側オーミック電極１１を形成する。そして、真空蒸着法を用いて、ｎ側オーミック電極１１の裏面上に、ｎ側オーミック電極１１に近い方から順に、約１０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層と、約７００ｎｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｎ側パッド電極１２を形成する。このようにして、第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００５９】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図９を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態の構成において、さらに、発光層４ａのＭＱＷ活性層４１の下面（基板側）に、ｎ側光ガイド層４４を設けた例について説明する。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６０】
この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図９に示すように、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｎ側光ガイド層４４上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するＭＱＷ活性層４１、ｐ側光ガイド層４２およびｐ型キャリアブロック層４３が順次形成されている。そして、上記窒化物系半導体各層（４１〜４４）によって、第２実施形態による発光層４ａが構成されている。
【００６１】
ここで、第２実施形態では、ｎ側光ガイド層４４は、約０．０５μｍの膜厚を有しており、ｐ側光ガイド層４２の膜厚（約０．１μｍ）よりも小さい。また、発光層４ａにおいて、ｐ側光ガイド層４２の光閉じ込め係数は、約０．３２となり、ｎ側光ガイド層４４の光閉じ込め係数は、約０．１５となる。これにより、ｎ側光ガイド層４４の光閉じ込め係数（約０．１５）は、ｐ側光ガイド層４２の光閉じ込め係数（約０．３２）の１／２以下となる。
【００６２】
第２実施形態では、上記のように、アンドープのｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間に、ｐ側光ガイド層４２の膜厚（約０．１μｍ）よりも小さい膜厚（約０．０５μｍ）を有するｎ側光ガイド層４４を設けることによって、ｎ側光ガイド層４４の光閉じ込め係数（約０．１５）がｐ側光ガイド層の光閉じ込め係数（約０．３２）よりも小さくなるので、ＭＱＷ活性層４１で発生した光を優先的にｎ側光ガイド層４４が形成されるｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出された光を、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の不純物準位により吸収させることができるので、レーザ光の安定化を図ることができる。また、ＭＱＷ活性層４１で発生した光を優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができるので、ｎ型ＧａＮ基板１と反対側のｐ側オーミック電極９による光吸収を抑制することができる。これによりしきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することができる。
【００６３】
また、ｎ側光ガイド層４４は、良好な結晶性を有するアンドープのｎ型クラッド層３上に形成されるので、ｎ側光ガイド層４４の結晶性を向上させることができ、かつ、その上に形成されるＭＱＷ活性層４１の結晶性も向上させることができる。これにより、ｎ側光ガイド層４４での光吸収を抑制することができるとともに、ＭＱＷ活性層４１の発光効率を向上させることができる。
【００６４】
なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００６５】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。図１０を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態の構成において、さらに、発光層４ｂのＭＱＷ活性層４１の下面（基板側）に、ｎ型キャリアブロック層４５を設けた例について説明する。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６６】
この第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１０に示すように、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるｎ型キャリアブロック層４５上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するＭＱＷ活性層４１、ｐ側光ガイド層４２およびｐ型キャリアブロック層４３が順次形成されている。なお、ｎ型キャリアブロック層４５は、アンドープのｎ型クラッド層３の屈折率およびＭＱＷ活性層４１の屈折率よりも小さい屈折率を有する。すなわち、ｎ型キャリアブロック層４５、ｎ型クラッド層３およびＭＱＷ活性層４１の屈折率の大小関係は、ｎ型キャリアブロック層４５＜ｎ型クラッド層３＜ＭＱＷ活性層４１である。また、ｎ型キャリアブロック層４５は、アンドープのｎ型クラッド層３のバンドギャップおよびＭＱＷ活性層４１のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。そして、上記窒化物系半導体各層（４１〜４３、４５）によって、第３実施形態による発光層４ｂが構成されている。
【００６７】
第３実施形態では、上記のように、アンドープのｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間に、アンドープのｎ型クラッド層３の屈折率よりも小さい屈折率を有するｎ型キャリアブロック層４５を設けることによって、光がｎ型キャリアブロック層４５よりも屈折率の大きいｎ型クラッド層３に閉じ込められようとするので、容易に、光をｎ型クラッド層３にしみ出させることができる。なお、ｎ型キャリアブロック層４５が設けられていなければ、ｎ型クラッド層３の屈折率よりも大きい屈折率を有するＭＱＷ活性層４１に光が強く閉じ込められるので、ｎ型クラッド層３への光のしみ出しが小さくなる。このように、第１実施形態に比べて、ＭＱＷ活性層４１で発生した光をより優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させることができる。ただし、ｎ型キャリアブロック層４５がより大きい膜厚（たとえば、ミクロンオーダ）を有する場合では、キャリアブロック層は、屈折率の小さいクラッド層として機能する。この場合、活性層内に強く光が閉じ込められるので、上述した効果を得るのが困難になる。したがって、ｎ型キャリアブロック層４５は、小さい膜厚で形成するのが好ましい。
【００６８】
また、第３実施形態では、上記のように、ｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間に、ｎ型クラッド層３のバンドギャップおよびＭＱＷ活性層４１のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｎ型キャリアブロック層４５を設けることによって、ｎ型クラッド層３とＭＱＷ活性層４１との間のバンドギャップ差よりも、ｎ型キャリアブロック層４５とＭＱＷ活性層４１との間のバンドギャップ差の方が大きいので、正孔のｎ型クラッド層３へのオーバーフローをより抑制することができる。
【００６９】
なお、第３実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００７０】
（第４実施形態）
図１１は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図１１を参照して、この第４実施形態では、上記第１〜第３実施形態と異なり、ｎ型ＧａＮ基板１上に、Ｇｅがドープされたｎ型クラッド層２１を形成した例について説明する。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００７１】
この第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１１に示すように、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するアンドープＧａＮ層２が形成されている。
【００７２】
ここで、第４実施形態では、アンドープＧａＮ層２上に、約１μｍの膜厚を有するとともに、約１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＧｅがドープされたｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層２１が形成されている。このｎ型クラッド層２１にドープされたＧｅは、Ｓｉの格子定数よりも大きく、かつ、窒化物系半導体の格子定数に近い格子定数を有する。
【００７３】
そして、ｎ型クラッド層２１上には、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６が形成されている。また、リッジ部７の側面上とｐ型クラッド層５の露出している表面上とには、ＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層８が形成されている。そして、素子のｎ側およびｐ側には、それぞれ、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｐ側オーミック電極９、ｐ側パッド電極１０、ｎ側オーミック電極１１およびｎ側パッド電極１２が形成されている。
【００７４】
第４実施形態では、上記のように、ｎ型クラッド層２１に窒化物系半導体と格子定数が近いＧｅをドープすることによって、ｎ型ドーパントとして通常用いられるＳｉをドープする場合に比べて、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。このため、ｎ型クラッド層２１の結晶性を向上させることができ、かつ、そのｎ型クラッド層２１上に形成されるＭＱＷ活性層４１の結晶性も向上させることができる。これにより、ｎ型クラッド層２１での光吸収を抑制することができるとともに、ＭＱＷ活性層４１の発光効率を向上させることができる。また、Ｇｅのドーピング量を制御することにより、容易に、ｎ型クラッド層２１の抵抗値を制御することができる。
【００７５】
なお、第４実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００７６】
（第５実施形態）
図１２は、本発明の第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図１２を参照して、この第５実施形態では、上記第１〜第４実施形態のリッジ部および電流ブロック層により電流狭窄を行う場合と異なり、イオン注入層３１により電流狭窄を行う例について説明する。
【００７７】
この第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１２に示すように、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するアンドープＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６が順次形成されている。
【００７８】
そして、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６には、炭素（Ｃ）がイオン注入されることにより形成された約０．３２μｍの注入深さを有するイオン注入層３１が設けられている。そして、イオン注入された炭素濃度のピーク深さは、ｐ型コンタクト層６の上面から約０．２３μｍのｐ型クラッド層５の領域内に位置する。また、ピーク深さにおけるピーク濃度は、約１×１０２０ｃｍ−３である。また、電流通路部３２となるイオン注入されていない領域（非注入領域）は、約２．１μｍの幅で形成されている。そして、このイオン注入層３１は、多量のイオンが半導体中に注入されることによって、他の領域よりも結晶欠陥を多く含んでいる。これにより、イオン注入層３１は、イオン注入層３１に多く含まれる結晶欠陥により高抵抗となるので、電流狭窄層として機能するとともに、結晶欠陥に起因した光吸収が起こるので光吸収層としても機能する。
【００７９】
また、ｐ型コンタクト層６の上面上には、開口部３３ａを有するＺｒＯ２からなる絶縁膜３３が形成されている。この開口部３３ａの幅は、電流通路部３２の幅よりも小さくなるように形成されている。そして、絶縁膜３３の上面上には、絶縁膜３３の開口部３３ａを介して、ｐ型コンタクト層６の上面に接触するとともに、絶縁膜３３の上面上に延びるように、ｐ側オーミック電極３４が形成されている。このｐ側オーミック電極３４は、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなる。そして、ｐ側オーミック電極３４の上面上には、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極３５が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板１に近い方から順に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ側オーミック電極１１およびｎ側パッド電極１２が順次形成されている。
【００８０】
第５実施形態では、上記のように、イオン注入層３１の光吸収層としての機能を利用することによって、光の横方向の閉じ込めを行うことができるので、レーザ光の横モードの安定化を図ることができる。さらに、第１実施形態と同様、発光層４で発生した光を優先的にｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出させるとともに、ｎ型ＧａＮ基板１側にしみ出された光を、ｎ型ＧａＮ基板１の不純物準位により吸収させることによっても、レーザ光の安定化を図ることができる。その結果、上述した２つの効果が相乗的に作用するので、レーザ光の安定化をより図ることができる。
【００８１】
なお、第５実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００８２】
図１３〜図１６は、図１２に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１２〜図１６を参照して、第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００８３】
まず、図１３に示すように、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面上に、アンドープＧａＮ層２からｐ型コンタクト層６までを順次形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型コンタクト層６上の全面に、約１μｍの膜厚を有するＳｉＯ２膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２膜を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって、約２．２μｍの幅を有するストライプ状（細長状）のＳｉＯ２からなるイオン注入マスク層３６を形成する。そして、イオン注入マスク層３６およびｐ型コンタクト層６の表面を覆うように、ＳｉＯ２からなるスルー膜３７を形成する。
【００８４】
そして、図１４に示すように、イオン注入マスク層３６をマスクとして、スルー膜３７を介して炭素のイオン注入を行うことによって、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６に、約０．３２μｍの注入深さを有するイオン注入層３１を形成する。これにより、イオン注入層３１を電流狭窄層とするとともに、約２．１μｍの幅を有する電流通過部３２が形成される。ここで、Ｒｐ＋ΔＲｐを注入深さ（イオン注入層３１の厚み）と定義した。なお、Ｒｐはピーク深さであり、ΔＲｐは飛程の標準偏差である。また、イオン注入時に、イオン注入マスク層３６の下部に、イオンの横方向への広がり（ΔＲｌ）が生じる。このとき、イオン注入時のイオン注入マスク層３６の幅をＷとすると、イオン注入マスク層３６の下部のイオンが注入されない領域の幅Ｂは、Ｂ＝Ｗ−２×ΔＲｌとなる。
【００８５】
この際、イオン注入層３１において、電流狭窄だけでなく光の横方向の閉じ込めも十分に行うには、イオン注入された炭素の不純物濃度の極大値が約５×１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。これにより、イオン注入層３１には、電流通過部３２よりも結晶欠陥が多くなるので、この多く含まれる結晶欠陥によって、光吸収を行うことができる。その後、ＣＦ４ガスによるドライエッチングを用いて、スルー膜３７を除去する。
【００８６】
次に、図１５に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層６およびイオン注入マスク層３６の表面を覆うように、約５０ｎｍの厚みを有するＺｒＯ２からなる絶縁膜３３を素子の垂直方向から蒸着する。これにより、イオン注入マスク層３６の側壁部には、絶縁膜３３はほとんど形成されない。
【００８７】
次に、図１６に示すように、フッ酸系エッチャントによるエッチングを行うことによって、イオン注入マスク層３６と絶縁膜３３の一部領域とを除去する。この場合、絶縁膜３３は、ほとんどエッチングされないので、イオン注入マスク層３６の側壁部に位置する絶縁膜３３のみが完全に除去される。そして、イオン注入マスク層３６は、イオン注入マスク層３６の側壁部に位置する絶縁膜３３が除去された後、完全に除去される。その結果、電流通路部３２の上面上に開口部３３ａを有するＺｒＯ２からなる絶縁膜３３が形成される。
【００８８】
最後に、図１２に示したように、開口部３３ａを介してｐ型コンタクト層６の上面に接触するとともに、絶縁膜３３の上面上に延びるように、下層から上層に向かって、約１ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＡｕ層と、約２４０ｎｍの膜厚を有するＮｉ層とからなるｐ側オーミック電極３４を形成する。そして、ｐ側オーミック電極３４上に、下層から上層に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの膜厚を有するＰｔ層と、約３μｍの膜厚を有するＡｕ層とからなるｐ側パッド電極３５を形成する。また、ｎ型ＧａＮ基板１を所定の膜厚になるまで研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板１に近い方から順に、ｎ側オーミック電極１１およびｎ側パッド電極１２を順次形成する。このようにして、第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００８９】
（第６実施形態）
図１７は、本発明の第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。図１７を参照して、この第６実施形態では、上記第１〜第５実施形態のｎ型ＧａＮ基板に代えて、アンドープのＺｒＢ２基板５１を用いた例について説明する。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００９０】
この第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１７に示すように、アンドープのＺｒＢ２基板５１の（０００１）面上に、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有する窒化物系半導体各層（アンドープＧａＮ層２、ｎ型クラッド層３、発光層４、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６）が順次形成されている。このＺｒＢ２基板５１の材料であるＺｒＢ２は、窒化物系半導体の格子定数に近い格子定数を有するとともに、六方晶系の結晶構造を有する。なお、ＺｒＢ２基板５１は、本発明の「硼化物系材料からなる基板」の一例である。また、リッジ部７の側面上とｐ型クラッド層５の露出している表面上には、ＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層８が形成されている。そして、素子のｎ側およびｐ側には、それぞれ、第１実施形態と同様の膜厚および組成を有するｐ側オーミック電極９、ｐ側パッド電極１０、ｎ側オーミック電極１１およびｎ側パッド電極１２が形成されている。
【００９１】
第６実施形態では、上記のように、ＺｒＢ２基板５１の材料であるＺｒＢ２の格子定数と窒化物系半導体の格子定数とが近いので、そのＺｒＢ２基板５１上に形成される窒化物系半導体層の結晶性を向上させることができる。また、ＺｒＢ２基板５１は、六方晶系の結晶構造を有するので、容易に、ＺｒＢ２基板５１上に窒化物系半導体層を結晶成長させることができる。また、ＺｒＢ２基板５１の格子定数と窒化物系半導体との格子定数差が小さいので、低温バッファ層を介して窒化物系半導体層を形成する必要がない。これにより、低温バッファ層自体の多量の転位に起因して発生する光の散乱や吸収も発生しない。さらに、半金属であるＺｒＢ２を材料とするＺｒＢ２基板５１は、発光波長に対して小さすぎるバンドギャップを有する半導体（ＳｉおよびＧａＡｓなど）からなる基板と異なり、ＺｒＢ２基板５１での光吸収が過大になるのを防止することができる。また、ＺｒＢ２基板５１は、電気抵抗が小さいので、しきい値電流や動作電流が増大するのをより抑制することができる。
【００９２】
なお、第６実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００９３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００９４】
たとえば、上記第１〜第６実施形態では、基板とｎ型クラッド層との間に、アンドープＧａＮ層２を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、アンドープＧａＮ層２に代えて、基板とｎ型クラッド層との間に、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層を形成するようにしてもよい。このドーパントとしてのＧｅの格子定数は、窒化物系半導体の格子定数と近いため、ドーピングによる歪みの発生を有効に低減することができる。これにより、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体層上に形成されるｎ型クラッド層および活性層の結晶性を向上させることができるので、ｎ型クラッド層での光吸収を抑制することができるとともに、活性層の発光効率を向上させることができる。また、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体層上のｎ型クラッド層上にｎ側光ガイド層が形成される場合には、ｎ側光ガイド層の結晶性を向上させることができるので、ｎ側光ガイド層での光吸収を抑制することができる。また、Ｇｅのドーピング量を制御することにより、容易に、Ｇｅがドープされた窒化物系半導体からなる層の抵抗値を制御することができる。
【００９５】
また、上記第１〜第６実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ハライド気相成長法）、および、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ３、ＳｉＨ４、ＧｅＨ４およびＣｐ２Ｍｇなどを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシャル成長法）などを用いて、窒化物系半導体各層を結晶成長させるようにしてもよい。
【００９６】
また、上記第１〜第６実施形態では、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、量子効果を有しない厚膜の単層または単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
【００９７】
また、上記第１〜第６実施形態では、基板と発光層との距離が約２μｍになるように構成したが、本発明はこれに限らず、基板と発光層との距離が約０．５μｍ〜約４μｍの範囲内であればよい。なお、基板と発光層との距離が約０．５μｍ以下の場合には、基板での光吸収が大きくなるので、しきい値電流や動作電流が増大する傾向がある。また、基板と発光層との距離が約４μｍ以上の場合には、基板での光吸収が小さくなるので、レーザ光の安定化が不十分になる傾向がある。
【００９８】
また、上記第１〜第５実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮおよびＡｌＧａＩｎＮなどからなる基板を用いるようにしてもよい。また、これらにＢ（ボロン）を加えたＧａＢＮ、ＩｎＧａＢＮ、ＡｌＧａＢＮおよびＡｌＧａＩｎＢＮなどからなる基板を用いるようにしてもよい。なお、基板側にしみ出させた光を基板に吸収させるためには、基板のバンドギャップを活性層のバンドギャップと同等以下にする必要がある。また、基板に不純物が含まれる場合には、基板材料のバンドギャップから不純物準位のバンドギャップを除したバンドギャップが、活性層のバンドギャップと同等以下である必要がある。
【００９９】
また、上記第１〜第５実施形態では、酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂなどがドープされた基板を用いるようにしてもよい。これによっても、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされた基板の不純物準位により吸収させることができる。また、活性層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するアンドープＩｎＧａＮからなる基板を用いるようにしてもよい。
【０１００】
また、上記第１〜第５実施形態では、窒化物系半導体の各層の表面が（０００１）面になるように積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の各層の表面が他の方向になるように積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体の各層の表面が（１−１００）や（１１−２０）面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面になるように積層してもよい。この場合、ＭＱＷ活性層内にピエゾ電場が発生しないので、井戸層のエネルギバンドの傾きに起因する正孔と電子との再結合確率の低下を抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層の発光効率を向上することができる。
【０１０１】
また、上記第２実施形態では、ｎ側光ガイド層４４の光閉じ込め係数が約０．１５になるようにしたが、本発明はこれに限らず、ｎ側光ガイド層の光閉じ込め係数が約０．６以下になるようにすればよい。好ましくは、ｎ側光ガイド層の光閉じ込め係数が、約０．２以下になるようにした方がよい。さらに、ｎ側光ガイド層の光閉じ込め係数が、ｐ側光ガイド層の光閉じ込め係数の１／２以下になるようにした方がよい。
【０１０２】
また、上記第６実施形態では、ＺｒＢ２基板５１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、他の硼化物系材料からなる基板を用いるようにしてもよい。たとえば、ＺｒＢ２以外の硼化物系材料として、ＴｉＢ２などが考えられる。なお、ＴｉＢ２は、ＺｒＢ２と同様、六方晶系の結晶構造を有するので、容易に、その上に六方晶の窒化物系半導体層を結晶成長させることができる。ただし、ＺｒＢ２の（０００１）面は、ＧａＮとの格子定数差が非常に小さいので、ＺｒＢ２からなる基板を用いた方が、より良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
【０１０３】
また、上記第６実施形態では、アンドープのＺｒＢ２基板５１を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、Ｓｉや酸素などの不純物がドープされたＺｒＢ２基板を用いるようにしてもよい。この場合、基板側にしみ出された光を、不純物がドープされたＺｒＢ２基板の不純物準位により吸収させることができる。これにより、レーザ光をより安定化させることができる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、レーザ光の安定化を図るとともに、しきい値電流や動作電流が増大するのを抑制することが可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図１３】図１２に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】図１２に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】図１２に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】図１２に示した第５実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第６実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の断面図である。
【図１８】従来の窒化物系半導体レーザ素子の一例を示した断面図である。
【図１９】図１８に示した従来の一例による窒化物系半導体レーザ素子の発光層の詳細断面図である。
【符号の説明】
１　ｎ型ＧａＮ基板（窒化物系半導体からなる基板）
２　アンドープＧａＮ層（アンドープの窒化物系半導体からなる層）
３　ｎ型クラッド層（アンドープのｎ型クラッド層）
５　ｐ型クラッド層
２１　ｎ型クラッド層
４１　ＭＱＷ活性層（活性層）
４２　ｐ側光ガイド層（光ガイド層）
４４　ｎ側光ガイド層
５１　ＺｒＢ２基板（硼化物系材料からなる基板）
【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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【図１９】
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