(57)【要約】【課題】ＧａＮ基板上にＧａＡｌＮクラッド層を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の放射角の低減を図る。【解決手段】ｎ−ＧａＮコンタクト層７、ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層８（厚さ１．５μｍ）、ｎ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層９、ｎあるいはｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層１０、ＧａＮ障壁層１１、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（Ｓｉドープ）／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層（０．５＞ｘ１＞ｘ２≧０）１２、ＧａＮ障壁層１３、ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層１４、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５（厚さ１．５μｍ）およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６を成長する。ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から２０μｍ外側の領域を残して、ｎ−ＧａＮコンタクト層７が露出するまでエッチングを行う。その後、絶縁膜１７、ｎ電極１９およびｐ電極１８を形成する。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ基板上に、第一導電型ＧａＮコンタクト層、第一導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層、該クラッド層より屈折率の低い第一導電型Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層、第一導電型あるいはアンドープのＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層（ただし、０．０８＜ｚ２＜ｚ１≦１）、ＧａＮ障壁層、ＩｎＧａＮ活性層、ＧａＮ障壁層、第二導電型あるいはアンドープのＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層および第二導電型ＧａＮコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記各クラッド層のＡｌ組成比ｚ１と前記各光導波層のＡｌ組成比ｚ２との差ｚ１−ｚ２が、０．０８より小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層が前記活性層側から配置された第１クラッド層および第２クラッド層からなり、該第２クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、前記第１クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、該構造が同時に屈折率導波機構を担っていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流の通路の幅が１μｍ以上であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振波長が４００ｎｍ帯であるＧａＮ系の半導体からなる半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＶＤ対応可能な紫外４００ｎｍ帯の次世代記録用半導体レーザ素子においては、記録精度を高めるために、真円に近いビーム放射角を有する半導体レーザ素子が要求されている。しかし、現状では、ビームの扁平比は約２．８〜３（水平方向の放射角が９°であり、垂直方向の放射角が２５°である）と大きい。また、このような短波長の半導体レーザ素子は、通常、ＧａＮ基板とその上に形成されるＡｌＧａＮクラッド層およびＩｎＧａＮ活性層等から構成されるが、ＧａＮ基板の屈折率はＡｌＧａＮクラッド層の屈折率より大きいため、発生する光においてＧａＮ基板への放射モードが生じ、発光効率が低下したり、しきい値電流が高くなるという欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、従来のＩｎＧａＮ活性層を有する半導体レーザ素子に用いるＧａＮ基板は、サファイア基板やＳｉＣ基板上にＧａＮ層を成長させて得ているが、サファイア基板やＳｉＣ基板とＧａＮ層との熱膨張係数の差が大きいため、成長過程でＧａＮ結晶にクラックが入りやすいという問題がある。さらに、このようなＧａＮ基板上に形成された半導体層、特に、クラッド層等に用いる高Ａｌ濃度のＡｌＧａＮにおいてはクラックが入り易く結晶を良好に成長できないため、素子の層構成の自由度が低く、放射角低減のための対策が十分にできないという問題がある。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて、ＧａＮ系の半導体レーザ素子において、垂直モードの放射角が低減された真円に近いビーム形状を有する半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板上に、第一導電型ＧａＮコンタクト層、第一導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層、該クラッド層より屈折率の低い第一導電型Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層、第一導電型あるいはアンドープのＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層（ただし、０．０８＜ｚ２＜ｚ１≦１）、ＧａＮ障壁層、ＩｎＧａＮ活性層、ＧａＮ障壁層、第二導電型あるいはアンドープのＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層および第二導電型ＧａＮコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
光導波層のＡｌ組成は、キャリアの漏れを防ぐため０．０８より大きくし、クラッド層より小さくすることが望ましい。また、クラッド層のＡｌ組成比ｚ１と光導波層のＡｌ組成比ｚ２との差ｚ１−ｚ２は、０．０８より小さいことが望ましい。
【０００７】
本発明の半導体レーザ素子は、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造であってもよい。あるいは、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層が活性層側から配置された第１クラッド層および第２クラッド層からなり、該第２クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第１クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造としてもよい。
【０００８】
電流の通路の幅は１μｍ以上であることが望ましい。
【０００９】
なお、前記第一導電型と第二導電型においては、互いに逆極性を示すものであり、例えば、第一導電型がｎ型であれば、第二導電型はｐ型である。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子によれば、ＧａＮ系の半導体レーザ素子において上記のような層構成、すなわち、基板側のＧａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層とＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層との間に該クラッド層より屈折率の低いＧａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層を設けることにより、基板への放射モードを低減させ、垂直方向（積層面に垂直な方向）の放射角を小さくすることができるので、真円に近いビーム形状を得ることができる。
【００１１】
さらに、Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層のＡｌ組成比ｚ１とＧａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層のＡｌ組成比ｚ２との差ｚ１−ｚ２を０．０８より小さくすれば、光閉じ込めが弱くなり、近視野像のビーム径が大きくなるので、放射角を小さくするためにはより効果的である。
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子を、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差を高くとることができるので、水平方向の光閉じ込めを良好に行うことができ高品質なレーザ光を得ることができる。
【００１３】
あるいは、第二導電型Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層が活性層側から配置された第１クラッド層および第２クラッド層からなり、該第２クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第１クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差の制御性が高く所望の等価屈折率差にできるので、高品質なレーザ光を得ることができる。さらに、内部電流狭窄構造は、第二導電型ＧａＮコンタクト層とその上に形成する電極との接触面積を広くとることができるので、コンタクト抵抗を小さくすることができ、特性の向上を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図２に示し、その半導体レーザ素子に用いられる低欠陥なＧａＮ基板の断面図を図１に示す。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、ハイドロクロライド気相成長法により、サファイア基板１上に、ＧａＮの低温堆積層２を積層後、ＧａＮ層３を２００μｍ程度積層する。その後、図１（ｂ）に示すように、基板１を除去し、残ったＧａＮ低温堆積層２とＧａＮ層３とをＧａＮ基板４とする。
【００１７】
次に、図２に示すように、上記のようにして作製されたＧａＮ基板４にＳｉＯ２膜５を形成し、通常のリソグラフィにより
【数１】
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方向に、５μｍの間隔で幅１０μｍのＳｉＯ２膜５が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、ＧａＮ層６を厚さ１０μｍ程度選択成長させる。このとき、露出しているＧａＮ基板４上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、ＳｉＯ２膜５上でストライプが合体するようにＧａＮが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【００１８】
次に、ｎ−ＧａＮコンタクト層７、ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層８（厚さ１．５μｍ）、ｎ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層９、ｎあるいはｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層１０（０．０８＜ｚ２＜ｚ１≦１）、ＧａＮ障壁層１１、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（Ｓｉドープ）／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層（０．５＞ｘ１＞ｘ２≧０）１２、ＧａＮ障壁層１３、ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層１４、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５（厚さ１．５μｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６を成長する。引き続き、ＳｉＯ２膜（図示せず）およびレジスト（図示せず）を形成し、通常のリソグラフィ技術により、１〜２．５μｍの幅よりなるストライプ領域以外のレジストとＳｉＯ２膜を除去する。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、選択エッチングにより、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。このエッチングによる、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５の残し厚は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【００１９】
次に、前述のＳｉＯ２膜およびレジストを除去し、新たにＳｉＯ２膜（図示せず）およびレジスト（図示せず）を形成し、ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から２０μｍ外側の領域とが残るように、その領域以外のＳｉＯ２膜およびレジストを除去し、ＲＩＥでｎ−ＧａＮコンタクト層７が露出するまでエッチングを行う。この後、ＳｉＯ２膜およびレジストを除去する。
【００２０】
次に、絶縁膜１７を形成し、通常のリソグラフィ技術を用いて、リッジ上およびｎ−ＧａＮコンタクト層７上を開口し、ストライプ状にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１８およびＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１９を形成する。その後、基板を研磨し、試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射コート、他方に低反射コートを行い、その後チップ化して半導体レーザ素子を作製する。
【００２１】
また、リッジ両脇の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をｎＡとし、リッジ部の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をｎＢとすると、等価屈折率差はｎＢ−ｎＡで表され、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層１５の厚さを制御することにより、等価屈折率差を、３×１０−３＜ｎＢ−ｎＡ＜１×１０−２に制御することができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【００２２】
Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層のＡｌ組成比ｚ１と、Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層のＡｌ組成比ｚ２との組成比差ｚ１−ｚ２は０．０８より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【００２３】
ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層１４は、ｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎであってもよい。
【００２４】
本実施の形態による半導体レーザ素子においては、さらにＧａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層の厚さを１．５μｍにすることにより、ＧａＮ基板への放射モードを抑制している。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図３に示す。
【００２６】
図３に示すように、ＧａＮ基板４上に、ＳｉＯ２膜２５を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術により、
【数２】
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方向に、５μｍ程度の間隔で、１０μｍ幅のＳｉＯ２膜２５が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、ＧａＮ層２６を１０μｍ程度成長させる。このとき、露出しているＧａＮ基板４上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、ＳｉＯ２膜２５上でストライプが合体するようにＧａＮが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【００２７】
次に、ｎ−ＧａＮコンタクト層２７、ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層２８（厚さ１．５μｍ）、ｎ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層２９、ｎあるいはｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層３０（０．０８＜ｚ２＜ｚ１≦１）、ＧａＮ障壁層３１、ｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（Ｓｉドープ）／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層３２（０．５＞ｘ１＞ｚ２≧０）、ＧａＮ障壁層３３、ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層３４、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎ第一クラッド層３５、ｎ−Ｇａ１−ｚ４Ａｌｚ４Ｎ電流狭窄層３６（ｚ４＞ｚ１、厚さ０．５μｍ）を形成する。引き続き、ＳｉＯ２膜とレジストを形成し、通常のリソグラフィ技術により１〜２．５μｍの幅よりなるストライプ領域のレジストとＳｉＯ２膜を除去する。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）による選択エッチングにより、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎ第一クラッド層３５が露出するまでエッチングする。レジストとＳｉＯ２膜とを除去した後、ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎ第二クラッド層３７およびｐ−ＧａＮコンタクト層３８を成長する。このエッチングのｎ−Ｇａ１−ｚ４Ａｌｚ４Ｎ電流狭窄層３６の組成は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【００２８】
次に、レジスト（図示せず）およびＳｉＯ２膜（図示せず）を形成し、ストライプ領域とストライプ領域の両端から２０μｍ外側の領域とが残るように、その領域以外のＳｉＯ２膜とレジストを除去し、ＲＩＥでｎ−ＧａＮコンタクト層２７が露出するまでエッチングを行う。マスクに用いたレジストとＳｉＯ２膜を除去した後、絶縁膜３９を形成し、通常のリソグラフィ技術により、ｐ−ＧａＮコンタクト層３８上およびｎ−ＧａＮコンタクト層２７上を開口し、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極４０およびＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極４１を形成する。その後、基板を研磨する。上記のようにして作製されて試料をへき開して形成した共振器端面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【００２９】
電流の通路の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をｎＢとし、電流狭窄層の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をｎＡとすると、等価屈折率差はｎＢ−ｎＡで表され、電流狭窄層の厚さを制御することにより、３×１０−３＜ｎＢ−ｎＡ＜１×１０−２に制御することができ、高出力まで基本横モード発振を可能とすることができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【００３０】
さらに本実施の形態による半導体レーザ素子は、内部に電流狭窄層を設けているので、ｐ−ＧａＮコンタクト層３８とｐ電極４０の接触面積が広く、コンタクト抵抗を低減できるので、特性の向上が図られる。
【００３１】
Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層のＡｌ組成比ｚ１と、Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層のＡｌ組成比ｚ２との組成比差ｚ１−ｚ２は０．０８より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【００３２】
ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層３４は、ｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎであってもよい。
【００３３】
上記第１および第２の実施の形態による半導体レーザ素子が発振する波長帯λに関しては、上記活性層の組成より３６０＜λ＜５５０（ｎｍ）の範囲で制御が可能である。
【００３４】
上記第１および第２の実施の形態では、リッジ構造の屈折率導波型レーザ、および内部に電流狭窄構造を有する屈折率導波型レーザについて説明したが、本発明は、リッジ構造を埋め込んだ屈折率導波機構を作りつけたレーザにも適用することができる。
【００３５】
また、上記実施の形態においては、ＧａＮ基板４を作製するための基板１はサファイアを用いたが、ＳｉＣ（０００１）基板、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧｅあるいはＳｉ等を用いてもよい。
【００３６】
また、ＧａＮ基板として、サファイア基板１上のＧａＮ層３上にさらに導電性ＧａＮ層を形成しサファイア基板１からＧａＮ層３までを除去して形成した導電性ＧａＮ基板を用いてもよい。導電性のＧａＮ基板を用いれば、ＧａＮ基板の裏面に電極を形成することができるので、電極を形成するためにｎ−ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングする必要がないので、工程を簡略化することができる。さらに電極を互いに対向する位置に形成できるので、ビームの変形が無く、高品質なビームを得ることができる。
【００３７】
上記実施の形態では、ストライプ幅（電流の通路の幅）が１〜２．５μｍの基本横モード発振する半導体レーザ素子について説明したが、ストライプ幅を２．５μｍより大きくしてもよく、これにより、低雑音な幅広の半導体レーザ素子を得ることができる。この幅広半導体レーザ素子を波長変換素子あるいはファイバーレーザの励起光源として用いることができる。
【００３８】
（実施例）
上記第１の実施の形態による半導体レーザ素子の層構成において、発振波長が４１０ｎｍとなるように、各障壁層の厚さをそれぞれ１５ｎｍとし、光導波層においてｚ２＝０．１、厚さをそれぞれ１５ｎｍとし、活性層の厚さを３０ｎｍとし、クラッド層の組成比ｚ１＝０．５とし、低屈折率層において、ｚ３＝０．３５とし、厚さを１００ｎｍ程度とした半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の垂直方向の放射角の半値幅は１６゜であった。比較例として同様の層構成であって低屈折率層が無い半導体レーザ素子を作製した。比較例の半導体レーザ素子では、垂直方向の放射角の半値幅は２７゜であった。本発明の半導体レーザ素子は比較例に比べて、垂直方向のビーム放射角の半値幅が９゜程度減少した。これに伴い、放射角の扁平比も２と小さい値が得られた。
【００３９】
本発明による半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板側のクラッド層と光導波層との間に該クラッド層より屈折率が低い低屈折率層を設けたことにより、垂直方向の放射角が小さいので、ＤＶＤ対応可能な次世代記録用の光源として、あるいは光ファイバや固体レーザの励起光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ素子に用いる基板を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
１　　サファイア基板
２　　ＧａＮの低温堆積層
３　　ＧａＮ層
４　　ＧａＮ基板
５　　ＳｉＯ２膜
６　　ＧａＮ層
７　　ｎ−ＧａＮコンタクト層
８　　ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層
９　　ｎ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎ低屈折率層
１０　　ｎあるいはｉ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層
１１　　ＧａＮ障壁層
１２　　Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層
１３　　ＧａＮ障壁層
１４　　ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層
１５　　ｐ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎクラッド層
１６　　ｐ−ＧａＮコンタクト層
１７　　絶縁膜
１８　　ｎ電極
１９　　ｐ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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