(57)【要約】【課題】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、素子特性の低下及び製造工程の複雑化を伴うことなく自然放出光による弊害を効果的に防止することが可能な構成を提供する。【解決手段】基板上に複数のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層が積層された構造を有するレーザダイオード素子において、前記基板の裏面上に、光反射性及び／又は光吸収性の光遮断層を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層が積層された構造を有するレーザダイオード素子であって、
前記基板の裏面上に、光反射性及び／又は光吸収性の光遮断層が形成されている、レーザダイオード素子。
【請求項２】
前記光遮断層が、組成が互いに異なる層を二種類以上含む多層構造である、請求項１に記載のレーザダイオード素子。
【請求項３】
前記光遮断層が、金属若しくは合金、又は誘電体からなる、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】
前記光遮断層が、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐｔ及びＰｄからなる群より選択される一つ以上の材料又はその合金からなる、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】
前記光遮断層が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｈＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２及びＺｒＯ２からなる群より選択される一つ以上の材料からなる、請求項１又は２に記載のレーザダイオード素子。
【請求項６】
前記光遮断層がＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｈＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２及びＺｒＯ２からなる群より選択される二つ以上の層を含む、請求項２に記載のレーザダイオード素子。
【請求項７】
前記光遮断層が、素子の光出射側と反対側の端面をコートする反射層と同一の構造である、請求項１又は２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】
本発明はレーザダイオード素子に関する。詳しくは、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子（以下、「ＬＤ素子」ともいう）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（以下、「ＧａＮ系レーザダイオード素子」ともいう）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、このような素子が集光レンズを有するキャップ内に実装されてレーザ装置が構築される。このような構造のレーザ装置では、レーザダイオード素子の活性層で生じた光は増幅された後に素子の一端面から出射し、そして集光レンズによって集光されて外部放射することとなるが、現実には活性層で生じた光の全部を有効にレーザ光として利用することはできず、一部の光は半導体層及び基板を透過してキャップ内に漏れ出る。このように漏洩した自然放出光は量子ノイズの原因となり、レーザ光の品質を低下させる。例えば、レーザダイオード素子を光ディスクのデータ読み出し（書き込み）に利用した場合においては読み出し（書き込み）精度の低下を引き起こす。また、自然放出光はブロードなスペクトルを有するため、集光レンズの色収差によりスポット径を充分に絞り込めないという問題が発生する可能性もある。
以上のような自然放出光の発生を防止するための方策として、ドナー不純物に加えてＭｇ等のアクセプタ不純物をｎ型半導体層の一部に添加して光吸収性とし、当該ｎ型半導体層で光を吸収させる構成（特許文献１）や、基板と活性層との間にＳｉＯ２薄膜とＴｉＯ２薄膜などを繰返し成膜してなる多層構造の反射膜を設け、当該反射層で基板側へと進行する光を活性層側に反射させる構成（特許文献２）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２２５８６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３１３４４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ｎ型半導体層の一部を光吸収性とする上記構成では、添加されるアクセプタ不純物が当該ｎ型半導体層の結晶性、ひいては活性層の結晶性に影響を与えることとなり、高品質のレーザ光を得難い。加えて、ｎ型半導体層によって吸収された光が熱へと変換されることから発熱の問題も生ずる。一方、反射膜を設ける上記構成では、半導体層の成膜工程の途中において反射膜を形成する必要があり、製造工程が複雑化する。また、反射膜を介して半導体層を成長させる必要から自ずと反射膜の形成密度が制限され、十分な反射作用が得られない場合がある。
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、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、素子特性の低下及び製造工程の複雑化を伴うことなく自然放出光による弊害を効果的に防止することが可能な構成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、
基板上に複数のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層が積層された構造を有するレーザダイオード素子であって、
前記基板の裏面上に、光反射性及び／又は光吸収性の光遮断層が形成されている、レーザダイオード素子である。
【０００６】
以上の構成では、レーザ光に直接利用されずに基板方向へと進行した光が、基板の裏面上に形成された光遮断層によって反射又は吸収される。これによって自然放出光による弊害が効果的に防止され、量子ノイズが低減する。ここで、基板の裏面上、即ち半導体層が形成される側と反対側の基板面上に光遮断層が形成されることから、光遮断層が半導体層の成長、結晶性に影響を与えることはない。従って高い結晶性の半導体層を備えた素子を構成できる。その一方で、十分な形成密度で光遮断層を形成し、高い光反射（及び／又は光吸収）効果を達成することが可能となる。
また、光遮断層の形成を、半導体層の成膜工程と別個の工程によって行えることから、素子の製造工程（特に半導体層の性膜工程）が特別複雑化することもない。
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】
（素子構造）
レーザダイオード素子の基本的な構造は特に限定されず、電極ストライプ構造、メサストライプ構造、ヘテロアイソレーション構造、リッジ構造、内部ストライプ構造、埋込みヘテロ構造、ＣＳＰ構造、及びリブガイド構造等を採用することができる。尚、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード素子は一般に、基板、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層（ＭＱＷ層など）、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層を順次積層した構成である。
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】
（光遮断層）
基板の裏面（半導体層が形成される側と反対側の面）上に光遮断層が形成される。本発明における光遮断層とは、それに入射する活性層由来の光の少なくとも一部を反射及び／又は吸収することができる層をいう。従って、それに入射する活性層由来の光の全てを反射等するもの（即ち文字通り光の遮断を行うことができるもの）に限られない。
活性層で生ずる光に対して反射性及び／又は吸収性である限りにおいて光遮断層の材質は特に限定されない。例えば、光遮断層を金属若しくは合金、又は誘電体によって形成することができる。ここで金属材料の例としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒ、Ｐｔ及びＰｄを挙げることができ、これらの一つ以上を用いて光遮断層を形成することができる。また、合金製の光遮断層とする場合には、上記のいずれかの金属の合金を形成材料として採用することができる。尚、複数種類の合金を併用してもよい。
一方、誘電体の例としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｈＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２及びＺｒＯ２を挙げることができ、これらの一つ以上を用いて光遮断層を形成することができる。
【００１３】
光遮断層の光遮断効果はその材質に大きく依存し、またその厚さによっても変動する。従って、光遮断効果の高い材料を選択して用いることが重要であることは勿論のこと、必要とされる光遮断効果が充分に発揮される厚さで光遮断層を形成することが好ましい。光遮断層は厚いほどにその光遮断効果が高まることから、厚さの上限は特に存在しない。但し、現状の製造工程やチップサイズなどによる制約を考慮すれば、１００μｍ程度が光遮断層の厚さの上限と考えられる。尚、光遮断層の厚さの具体例を挙げれば、形成材料によっても異なるが、０．１μｍ〜１．０μｍ、好ましくは０．５μｍ〜１．０μｍ、更に好ましくは０．８μｍ〜１．０μｍである。尚、誘電体多層膜（後述）によって光遮断層を形成すれば、比較的薄くても良好な光遮断効果が得られる。
【００１４】
光遮断層は単層構造であっても、或は多層構造であってもよい。多層構造に誘電体を採用する場合には互いに異なる屈折率の層が二種類以上含まれることとなる。多層構造を採用する場合において、同一屈折率の層が二以上含まれていてもよい。例えば、数種類（例えば２種類、３種類）の層が積層されたものを一組として、これが繰返し積層されることによって多層構造が構成されていてもよい。このような構造の具体例としては、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とが交互に積層したものを挙げることができる。この場合のＳｉＯ２単層の厚さとしては以下の式によって表されるものを例示できる。
【式１】
λ／４ｎ１（但し、λ：発光波長、ｎ１：ＳｉＯ２の屈折率）
同様に、ＴｉＯ２単層の厚さとしては以下の式によって表されるものを例示できる。
【式２】
λ／４ｎ２（但し、λ：発光波長、ｎ２：ＴｉＯ２の屈折率）
尚、ＳｉＯ２層とＴｉＯ２層の繰返し数は例えば１回〜１０回とすることができる。
【００１５】
光遮断層は、好ましくは、各半導体層の形成前又は形成後に形成される。このようにすれば、各半導体層の成長を連続的に行うことができ、製造効率の向上が図られるからである。レーザダイオード素子では半導体層の形成後に光出射側と反対側の端面が光反射性材料によってコートされる（後端面コート）。この後端面コートと同時に光遮断層を形成すれば別途光遮断層の形成を行う必要が無くなり、製造工程が簡略化される。例えば、後端面コート膜をスパッタなどによって行う際に、基板裏面へコート材料回り込ませ、後端面コート膜と光遮断層とを同時に形成する。
光遮断層はスパッタ、蒸着、ＣＶＤ、塗付、印刷等の方法によって形成される。
【００１６】
【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１を図１に示す。ＬＤ素子１の各層のスペックは次ぎの通りである。
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【００１７】
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は活性層、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。
【００１８】
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５〜３０とすることが好ましい。
【００１９】
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。
【００２０】
光遮断層２１はＳｉＯ２とＴｉＯ２が交互に繰返し積層された誘電体多層膜からなる。後述のように、本実施例での光遮断層２１の層構成は、ＬＤ素子１の光反射側端面（後端面）に形成される光反射層の層構成と同一である。このように光遮断層２１と後端面光反射層とを同一の構成とすれば、製造工程が簡素化される。尚、光遮断層２１の構成が後端面光反射層のそれと異なっていてもよいことは言うまでもない。
【００２１】
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。
ｎ電極２２はＡｌを含む材料で形成され、第３のｐ型層１９を形成した後、半導体層１９〜１４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を含む材料で構成されており、蒸着により形成される。
【００２２】
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。このとき、スパッタ材料を基板１１の裏面側に回り込ませ、当該裏面上にも成膜させる。このようにして、後端面のコートと同時に光遮断層２１が形成される。尚、光遮断層２１を、光反射層の形成工程と別個の工程によって形成してもよい。
【００２３】
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２に示す。尚、説明の便宜上、図２ではｎ電極など一部の要素を省略する。
ＬＤ素子１は支持体３０に立設されたステム３１上にヒートシンク（導電性基板）３２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３２にマウントされている。尚、ヒートシンク３２の表面の一部には絶縁性材料層（図示していない）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３５には集光レンズ３７が装着されており、ＬＤ素子１で生成されたレーザ光は当該集光レンズ３７を介して外部に放出される。ここで、ＬＤ素子１の活性層で生じた光の中の一部は直接レーザ光として利用されずに半導体層１５〜１２を透過し、基板１１内へと進行する。ところが本発明のＬＤ素子１では、基板１１の裏面に光遮断層２１が設けられていることから、このような基板１１内へと進行した光は当該光遮断面２１によって反射又は吸収されることとなる。これによって、キャップ３５内への自然放出光の漏洩が効果的に防止される。その結果、量子ノイズの少ないレーザ光が得られる。
【００２４】
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。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のレーザダイオード素子では基板裏面上に光遮断層を形成したことによって、レーザ光として直接利用されない光が基板側から放出されることが防止される。これによって量子ノイズの低減が図られ、高品質のレーザ光が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実施例のレーザダイオード素子の構成を示す模式図である。
【図２】図２は実施例のレーザダイオード素子を使用した半導体レーザ装置を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザダイオード素子
１１  サファイア基板
２１  光遮断層
３０  支持体
３１  支持体ステム
３２  ヒートシンク
３５  キャップ
３７  集光レンズ
【図１】
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【図２】
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