(57)【要約】【課題】高い横方向光閉じ込め係数と低い直列抵抗とを実現し、かつｐ電極による吸収損失を抑制できるレーザダイオード構造を提供する。【解決手段】ＩｎＧａＮレーザダイオード構造１００は、ＭＱＷ領域１５０の上方に上部導波路層１７０を備え、その上方に金属酸化物であるＩＴＯからなる上部クラッド構造１８０を備える。ＩＴＯ上部クラッド構造１８０を挟んで屈折率がＩＴＯ上部クラッド構造１８０より低いＳｉＯ２絶縁構造１８５が、向かい合うように形成される。【選択図】図１
2004289157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸領域と、
前記量子井戸領域の上に形成された導波路層と、
前記導波路層上に形成された導電性金属酸化物クラッド層と、
を備えることを特徴とするレーザダイオード構造。
【請求項２】
レーザダイオード構造を製造するための方法であって、
量子井戸領域を形成して、
前記量子井戸領域の上に導波路層を形成して、
前記導波路層上に導電性金属酸化物クラッド層を形成することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオード構造およびその製造方法に関し、特に、窒化物系レーザダイオード構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードは、例えば、レーザ印刷、光学式データ保存、長距離ファイバ通信、分光分析、計測、バーコードスキャナ、およびファイバアンプ励起源のような数多くのレーザの用途において用いられている。一般に、レーザダイオード構造には、上部クラッド層および下部クラッド層によって挟まれた中央導波路／量子井戸“活性”領域が含まれる。このような構成は、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）としても知られている。その高い屈折率差のために、当該構造におけるこの活性領域“コア”に光が閉じ込められて、ここに、光学利得が発生する。上部クラッド層および下部クラッド層は、コアよりも低い屈折率を有する材料で形成されており、光学モードを封じ込める役目を果たす。このような仕組みによって、光学モードを、活性領域コアに沿って誘導して、当該構造の表面（端面）から放出されるレーザ光ビームを発生させる。
【０００３】
図３は、従来の窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）レーザダイオード５０を示す簡略化された斜視図であり、これは、本発明が特に対処する窒化物系レーザダイオードの具体例である。図３の下部分を参照すると、レーザダイオード５０は、基板６０（例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ））上に形成されたｎドープ層６２（例えば、シリコンをドープした窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｓｉ））を含む。ｎ電極６４（例えば、チタン・アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）二重層またはチタン・金（Ｔｉ／Ａｕ）二重層）およびｎドープクラッド層６６（例えば、Ｓｉをドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｓｉ））が、ｎドープ層６２上に形成される。積層構造が、ｎドープクラッド層６６上に形成されるが、これには、ｎドープ導波路層６８（例えば、ＧａＮ：Ｓｉ）、多重（例えば、３層）であってＧａＮ障壁層によって分離されたＩｎＧａＮ量子井戸を含む多重量子井戸（ＭＱＷ）領域７０、ｐドープ導波路層７４（例えば、ＧａＮ：Ｍｇ）、ｐドープクラッド層７６（例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）、第２のｐドープコンタクト層７８（例えば、ＧａＮ：Ｍｇ）、およびｐ電極８０（例えば、Ｎｉ／Ａｕ二重層）が含まれる。ＩｎＧａＮ−ＭＱＷレーザダイオード５０の動作中には、好適な電圧電位（voltage potential）が、ｎ電極６４およびｐ電極８０に印加される。これらの電極からＭＱＷ領域７０に設けられたｐｎ接合に、ｎ型およびｐ型のそれぞれの材料によって電子および正孔が注入されて、これによって、干渉性の高い（この場合は、青紫色の）レーザビームＬＢが発生するが、これは、レーザダイオード５０の表面（端面）上に位置する領域５１から放出される。一般に、導波路層およびクラッド層の目的は、領域５１に関連付けられたＭＱＷ領域７０における中央（コア）領域に光学モードを閉じ込めることである。これは、導波路層６８，７４を屈折率が比較的高い（但し、ＭＱＷ領域７０の屈折率よりは低い）材料で形成する一方で、クラッド層６６，７６を屈折率が比較的低い材料で形成することによって実現される。いくつかの理由のために、クラッド層６６，７６は、導波路層６８，７４を形成する際に用いた材料に、しかるべきドーパント（例えば、ＳｉまたはＭｇ）とともに、Ａｌを添加することによって形成される。
【０００４】
極めて重要であるのは、放出されるレーザビームを最適化するために、レーザダイオードが、優れた構造上および光電子工学上の品質を備える材料で作成されるとともに高精度に形成されるべきであるということである。構造上の欠陥（例えば、転位またはクラック）あるいは不純物が、半導体材料の発光効率を著しく低下させる場合がある。さらに、様々な各層の厚さおよび形状は、放出されるレーザビームを最適化する上で重要である。
【０００５】
ＡｌＧａＮ：Ｍｇを用いてＩｎＧａＮレーザダイオード５０（図３）の上部クラッド層７６を作成することに付随して、厚さおよびＡｌ濃度が両方とも結晶のクラッキングによって制限され、これが、さらに、上部クラッド層７６と、導波路層７４およびＭＱＷ領域７０に形成された活性領域との間における屈折率の差を制限する。従って、結果として得られる光閉じ込めを制限するという問題点がある。また、Ｍｇアクセプタのイオン化エネルギはＡｌ含有率に比例して増大するので、ＡｌＧａＮ合金において高い正孔濃度を実現することは困難である。従って、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮクラッド層では、直列抵抗が高くなり、最終的に、動作中のＩｎＧａＮレーザダイオード５０における好ましくない加熱がもたらされる。なお、光学モードの横方向の閉じ込めに、一般に、リッジ導波路構造を採用する従来のＩｎＧａＮレーザ素子においては、横方向の光学モードに対する信頼性の高い制御が困難であるということがすでに分かっている。横方向のインデックスステップ（index step：屈折率段差）は、上部ＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層７６をドライエッチングすることによって実現される。ＡｌＧａＮには、すでに知られている信頼性の高い選択的エッチングプロセスがないので、エッチング深さおよび結果として得られるインデックスステップを制御するのは困難である。
【０００６】
図４Ａおよび図４Ｂは、１０層のＩｎＧａＮ／ＧａＮ−ＭＱＷ領域７０およびＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ：Ｍｇで構成されている上部クラッド層７６を有する従来の窒化物レーザダイオード構造５０に付随するモデリングデータを示すグラフである。図４Ａは、ＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層の厚さに応じて計算された閉じ込め係数Γを示すグラフであり、光学モードの閉じ込め係数Γが、約０．０８であると見込まれることを示す。図４Ｂは、従来の１０層のＩｎＧａＮ／ＧａＮ−ＭＱＷレーザダイオード構造について計算した、ＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層の厚さを変化させた時の金属吸収損失を示すグラフである。計算は、種々の異なるトップｐ電極金属層について行った。図示されているように、このような構造におけるトップｐ金属層による吸収損失は、ＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層の厚さに大きく左右される。適度な低い損失値（〜１ｃｍ−１）を達成するためには、４００ｎｍ〜５００ｎｍのクラッド層の厚さが必要である。さらに、これらの損失値は、低めの推定値にすぎず、表面粗さ（例えば、金属合金加工プロセスによって引き起こされる表面粗さ）または（Ａｌ）ＧａＮ層に浸透する金属による損失を考慮に入れていない。従って、光閉じ込めを向上させて吸収損失を低減させるためには、理想的には、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層を可能な限り厚く保つべきである。しかしながら、上述したように、ＡｌＧａＮ：Ｍｇは、当該素子の直列抵抗に相当に寄与しており、また、レーザダイオードの光電子工学上の品質を低下させるクラッキングを避けるために十分に薄く保つ必要がある。従って、ＡｌＧａＮ：Ｍｇを含まない素子構造であれば、これらの２つの問題を解決する上で有益であろう。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３８９，０５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３０，２０２号明細書
【非特許文献１】ストリングフェロー（G. B. Stringfellow）著「Organometallic Vapor-Phase Epitaxy: Theory and Practice」（Academic Press、１９８９年）
【非特許文献２】マーガリス（Margalith）ら著、Appl. Phys. Lett. Vol 74, 3930（１９９９年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
求められているのは、依然として同様の光閉じ込め係数を維持するとともにｐ金属における著しい吸収損失を避けつつも、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を含まない屈折率導波型シングルモードレーザダイオード構造である。加えて、当該レーザダイオードにおける直列抵抗は、大幅に低減させるべきである。また、当該レーザダイオード構造は、レーザダイオード素子の安定したシングルモード動作を実現する上で有益であろう強力な（屈折率導波型の）横方向の閉じ込めを提供しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のレーザダイオード構造は、量子井戸領域と、前記量子井戸領域の上に形成された導波路層と、前記導波路層上に形成された導電性金属酸化物クラッド層と、を備える。
【００１０】
また、本発明の方法は、レーザダイオード構造を製造するための方法であって、量子井戸領域を形成して、前記量子井戸領域の上に導波路層を形成して、前記導波路層上に導電性金属酸化物クラッド層を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、導電性金属酸化物（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）またはアルミニウムをドープした亜鉛酸化物（ＺｎＯ））から形成された上部クラッド層を含むレーザダイオード構造を対象としており、これによって、従来のように形成された上部クラッド層を有する従来のリッジ導波路レーザダイオード構造に対するいくつかの利点が提供される。金属酸化物上部クラッド層を用いることは、従来のようにマグネシウムをドープした窒化アルミニウムガリウム（すなわち、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）を用いてｐドープ上部クラッド層を形成する窒化物系（例えば、ＩｎＧａＮ）レーザダイオード構造において有益であるということが分かっている（但し、金属酸化物上部クラッド層を用いることで、その他の種類のレーザダイオード構造においても同様に利益が得られる場合もある）。例えば、窒化物系レーザダイオード構造において、金属酸化物クラッド層によれば、例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇのような従来のクラッド材料によって提供されるよりも良好な横方向のインデックスステップおよび横方向のモード特性に対する制御が提供される。第２に、導電性金属酸化物クラッド層によれば、例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇのような従来のクラッド材料よりも小さな直列抵抗が提供される。第３に、金属酸化物クラッド層によれば、従来のＡｌＧａＮ系レーザダイオード構造の場合と比べて向上した横断方向の光閉じ込めおよびモード利得が提供される。第４に、金属酸化物を用いて上部クラッド層を形成することで、加工プロセスは大幅に簡素化されるが、これは、ＡｌＧａＮ：Ｍｇでは、ＡｌＧａＮ系レーザダイオード構造において一般に用いられる下層であるＧａＮ：Ｍｇ導波路層に損傷を来さないように慎重にドライエッチングしなければならないのに対して、選択的にウェットエッチングすることが可能であるからである。このように加工プロセスを簡素化することによって、従来のＡｌＧａＮ系レーザダイオード構造に付随するコストよりも低い製造コストに寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について、特に、ＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造に言及しつつ説明する。本発明は、ＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造と組み合わせて用いるときに特に有用であると考えられているが、本発明の各態様が、その他の窒化物系レーザダイオード構造において同様に用いられる場合もあり、また、いくつかの非窒化物系レーザダイオード構造（例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）レーザダイオード構造またはインジウムリン（ＩｎＰ）レーザダイオード構造）において用いられる場合もある。例えば、化学センサとして用いられたＩｎＰ系レーザダイオードにおいては、本明細書中において説明されたように金属酸化物（例えば、ＺｎＯ）を用いることが、その生体適合性（biocompatibility）および水素に対する感受性のために有用である場合がある。従って、発明者らの意図としては、本発明の範囲は、本明細書中において説明された具体的な実施の形態によって、そのような限定が、特許請求の範囲に明確に含まれていない限り、必ずしも限定されない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態による窒化物系レーザダイオード構造１００を示す正面立面図である。レーザダイオード構造１００は、基板１０１（例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ））上に形成されており、基板１０１上に形成されたｎ型コンタクト層１１０（例えば、ＧａＮ：ＳｉまたはＡｌＧａＮ：Ｓｉ）を含む。ｎ電極１２０（例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、またはＴｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ）が、ｎ型コンタクト層１１０の第１の（露出）領域上に形成される一方で、ｎ型下部クラッド（cladding：被覆）層１３０（例えば、ＡｌＧａＮ：Ｓｉ）が、ｎ型コンタクト層１１０の第２の領域上に形成される。ｎ型下部導波路層１４０（例えば、ＧａＮ：Ｓｉ、ＩｎＧａＮ：Ｓｉ、またはＡｌＧａＮ：Ｓｉ）が、下部クラッド層１３０上に形成される。なお、下部導波路層１４０の屈折率は、下部クラッド層１３０の屈折率よりも大きい。多重量子井戸（ＭＱＷ）領域１５０（例えば、３層であって、対応するＧａＮ障壁層またはＩｎＧａＮ障壁層の間に挟まれたＩｎＧａＮ量子井戸層）が、下部導波路層１４０上に形成される。任意のｐ型閉じ込め層１６０（例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）が、ＭＱＷ領域１５０上に形成される。ｐ型上部導波路層１７０（例えば、ＧａＮ：Ｍｇ、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ、またはＩｎＧａＮ：Ｍｇ）が、閉じ込め層１６０上に形成される。上部クラッド層１８０が、上部導波路層１７０上に形成されて、ＭＱＷ領域１５０の活性領域１５５の上方に配置される。任意の絶縁層部分１８５が、上部クラッド層１８０を挟んで向かい合うように形成される。最後に、ｐ電極１９０（例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｌ）が、上部クラッド層１８０上および絶縁層部分１８５（用いる場合）上に形成される。図１に図示するとともに上述したレーザダイオード構造１００の様々なＩＩＩ族窒化物層は、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて形成されるが、これは、よく知られている堆積技術である（例えば、非特許文献１参照）。
【００１４】
本発明の１つの態様によれば、上部クラッド層１８０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、カドミウム酸化物（ＣｄＯ）、インジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）、およびスズ酸化物（ＳｎＯ２）を含む群から選択された導電性金属酸化物を用いて形成される。また、いくつかの三元導電性金属酸化物を用いる場合もある（例えば、Ｚｎ２ＳｎＯ４、ＺｎＳｎＯ３、およびＣｄ２ＮｓＯ４）。さらに、これらの酸化物にドーピングを施して、それらの導電性を向上させることが可能である。例えば、ＺｎＯに、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、フッ素（Ｆ）、および／またはホウ素（Ｂ）をドープして、当該ＺｎＯを、高度にｎ型（一般的なキャリア濃度としては、ほぼ１０１８ｃｍ−３〜２×１０２１ｃｍ−３）にすることが可能である。また、同様のドーピング技術を用いて、これらの酸化物をｐ型にすることが可能な場合もある（例えば、窒素ドーピングを用いて、ｐ型ＺｎＯを作成する場合もあるであろう）。なお、ＩＴＯは、ドーピングされた酸化物のもう１つの具体例である（ＩＴＯの化学式は、Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３）。ＩＴＯの場合は、当該Ｓｎが、Ｉｎ２Ｏ３マトリックスにおけるｎドーパントとしての機能を果たす。導電性酸化物層の各層を、連続的なよく知られている堆積技術によって堆積させることが可能である。これらの技術には、スパッタリング（例えば、ＲＦスパッタリング、またはＲＦマグネトロンスパッタリング）、蒸着、またはパルスレーザ堆積法が含まれる。化学気相成長法（ＣＶＤ）は、導電性金属膜を堆積させるもう１つの方法である。なお、ＭＯＣＶＤは、高品質結晶膜の堆積を容易にするＣＶＤ技術である。
【００１５】
以下に述べる具体例において説明するように、例えば、ＩＴＯのような金属酸化物材料を用いて上部クラッド層１８０を形成することで、特に、好適な誘電材料（例えば、ＳｉＯ２）を用いて形成された絶縁層部分１８５と組み合わせた場合に、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ上部クラッド層を伴って形成された従来の窒化物系レーザダイオード構造に対するいくつかの利点を有する窒化物系レーザダイオード構造が作成される。例えば、ＩＴＯおよびＺｎＯのような金属酸化物は、ＡｌＧａＮ：Ｍｇよりも低い直列抵抗を有する。従って、窒化物系レーザダイオード構造１００によれば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇを含む上部クラッド層を有する従来の窒化物系レーザ構造に付随する加熱問題が回避される。金属酸化物クラッド構造を用いることに付随するその他の利点については、以下に説明する。
【００１６】
図１を再度参照すると、上部クラッド層１８０は、対向する側壁であって、導波路層１７０の上面に対して実質的に垂直に延在する側壁１８０Ａ，１８０Ｂ（図中、破線で示す）を有する細長い筋状（あるいは、リッジ）構造に形成されている。このように形成された上部クラッド層１８０よって、横方向のインデックスステップが画定されて、レーザ発光（lasing）中における横方向のシングルモード動作が得られる。この細長い構造は、一般に、クラッド材料からなる連続的な層を堆積させてから、この連続的な層の各部分をエッチングすることで、側壁１８０Ａ，１８０Ｂを有する細長い構造を形成することによって形成される。上述したように、従来の窒化物系レーザダイオード構造では、上部クラッド層１８０には、一般に、ＡｌＧａＮ：Ｍｇが含まれるが、ＡｌＧａＮには、すでに知られている信頼性の高い選択的エッチングプロセスがないので、好適なリッジ導波路構造を形成するにはドライエッチングを行う必要がある。従って、エッチング深さおよび結果として得られるインデックスステップを、ＡｌＧａＮ：Ｍｇを用いて形成された上部クラッド層を用いる従来の窒化物系レーザダイオード構造において制御するのは困難である。これに対して、金属酸化物は、十分に確立された技術（例えば、Ｈ２Ｏで１０：１に希釈したＨＣｌまたはＨＦを用いるウェットエッチング、ＣＦ４／Ｏ２混合ガス中におけるプラズマドライエッチング）を用いて、選択的に、ウェットエッチングまたはドライエッチングを行うことが可能であり、これによって、レーザ構造のインデックスステップを不適切に変更するおそれがある過剰なエッチングを回避することによるＡｌＧａＮ：Ｍｇクラッド層に対する明確な利点が提供される。このようにクラッド材料を選択的にエッチングできるため、加工プロセスが簡素化される。これによって、窒化物系レーザダイオード構造１００を作成する際に付随する製造コストが低下する。さらに、後述するように、導波路層１７０の厚さが、窒化物系レーザダイオード構造１００の性能にとって非常に重要であることからも、クラッド材料を選択的にエッチングできるということは、レーザダイオードの製造方法において重要である。
【００１７】
上述したように、絶縁層部分１８５は、上部クラッド層１８０を挟んで向かい合うように形成される（図１参照）。横方向のシングルモード動作を得るために、導電性酸化物層筋状部１８０（一般的な筋幅は１〜４マイクロメートルの間である）を屈折率のより低い材料で取り囲むことによって横方向の有効な屈折率段差が得られる。さらに詳細に後述するように、このような制御機能は、特に、上部クラッド層がＩＴＯを用いて形成されるとともに絶縁層部分１８５がＳｉＯ２を用いて形成される場合に強化されるが、別の電気的に絶縁する誘電材料であって、より低い屈折率を有する材料（例えば、空気、Ｓｉ３Ｎ４、またはＳｉｘＯｙＮｚ）を用いた場合であっても有益な構造を形成することが可能である。また、誘電性絶縁層部分１８５によって、幅の広いｐ電極１９０と下層であるｐ−ＧａＮ導波路層１７０との間に電気的な絶縁が与えられるので、電流は、金属酸化物クラッド筋状部１８０の下方にある活性領域のみに注入される。
【００１８】
本発明のもう１つの態様によれば、任意のトンネル障壁層１６０（例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇからなる層であって、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲における厚さを有する層、好適には、約２０ｎｍの厚さを有する層であるが、このとき、ＧａＮ：Ｍｇ導波路層は、８０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さ、好適には、１２０ｎｍの厚さを有する）を、窒化物系レーザダイオード構造に用いて、電子がＭＱＷ領域１５０から漏れないようにする場合もある。１つの実施の形態において、トンネル障壁層１６０内におけるＡｌ含有率は、１０％〜３０％（モル分率）の範囲内である。この範囲内のＡｌ含有率を有するトンネル障壁層１６０が、いくつかの窒化物系レーザダイオード構造において、レーザ発光を実現するために無くてはならない場合もあるが、トンネル障壁層１６０を必要としない窒化物系レーザ構造を形成することは可能である。例えば、米国特許第６，３８９，０５１号明細書（特許文献１）および米国特許第６，４３０，２０２号明細書（特許文献２）（これらの全体を本願に引用して援用する）によれば、これらは両方とも発明の名称が「非対称型導波路窒化物レーザダイオードのための構造および方法（Structure and Method for Asymmetric Waveguide Nitride Laser Diode）」であって、所望のバンドギャップオフセットを達成するのに十分な量のＡｌを上部導波路層１７０に加えた構成が開示されている。１つの実施例では、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ上部導波路層１７０は、８％（モル分率）のＡｌ含有率を有しており、１２０ｎｍの厚さを有する（すなわち、以下に示す具体的な実施例において用いたものと同様である）。この実施例における下部導波路１４０は、ＧａＮである。
【００１９】
図１を再度参照すると、１つの具体的な実施の形態によれば、ＡｌＧａＮレーザダイオード構造１００が、以下に示す規格に従って構成される。下部クラッド層１３０は、約１０００ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ：Ｓｉを含む。下部導波路層１４０は、約１００ｎｍの厚さを有するＧａＮ：Ｓｉを含む。ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ領域１５０は、３ｎｍ〜４ｎｍの厚さを有する３層のＩｎＧａＮ量子井戸層を、当該ＩｎＧａＮ量子井戸層の各層間に形成された６ｎｍ〜７ｎｍのＧａＮ層とともに含んでおり、かつ３ｎｍのＧａＮキャップ層（ｃａｐｐｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を備える。障壁層１６０は、キャップ層上に形成されており、約２０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ：Ｍｇを含む。上部導波路層１７０は、５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さ、以下に説明する理由から最も好適には、約１２０ｎｍの厚さを有するＧａＮ：Ｍｇを含む。上部クラッド層１８０は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さ（例えば、約２００ｎｍの厚さ）を有するＩＴＯを含む。絶縁層部分１８５は、ＳｉＯ２を含んでおり、１００ｎｍを超える厚さを有する（例外として以下に説明する代替的な実施の形態を参照）。最後に、ｐ電極１９０は、約１０２０ｎｍの厚さを有するＴｉ／Ａｕ（例えば、２０ｎｍのＴｉ、１０００ｎｍのＡｕ）を含む。
【００２０】
ＩＴＯを用いて上部クラッド層１８０を形成することは、いくつかの理由から有益である。ＩＴＯは、導電性が高い（ρ〜５×１０−４Ωｃｍ）ということが確認されており、ＧａＮ：Ｍｇに対する良好なオーミックコンタクトを形成する（例えば、非特許文献２参照）。さらに、ＩＴＯは、ＧａＮ（ｎｒ〜２．５）よりも低い屈折率（ｎｒ＝２．０６、但し、４２０ｎｍの場合）を有するので、十分に大きい屈折率段差が得られて、レーザダイオード構造において上部クラッド層１８０としての役割を果たす。ＩＴＯは、４００ｎｍ前後の波長領域において完全に透過性ではないが（α〜７００ｃｍ−１、但し、λ＝４２０ｎｍの場合）、クラッド層１８０および絶縁層１８５が膜厚２００ｎｍであって、それぞれ、ＩＴＯおよびＳｉＯ２で構成されている場合に、レーザダイオード１００について計算されたモード損失は、１ｃｍ−１未満であるということが分かった。このモード損失は、ＩｎＧａＡｌＮレーザダイオードにおいて求められた分散損失（distributed loss）と比べてかなり小さく、一般に、２０ｃｍ−１〜６０ｃｍ−１の範囲内であって、ＡｌＧａＮクラッド層を用いる従来の構造において求められた損失と比べても更に低い。
【００２１】
表１（下記）および図２に示すように、ＩＴＯクラッド層１８０および３重量子井戸活性領域１５５を備えた構造における全体の光閉じ込め係数Γは、３．６％前後である。特に、表１は、５００ｎｍのＡｌＧａＮ：Ｍｇ上部クラッド層を有する従来のＩｎＧａＮレーザダイオード構造および具体的な実施の形態（上述）に係るＩｎＧａＮレーザダイオード構造１００について計算された閉じ込め係数およびモード損失（トップ金属および／またはＩＴＯにおける吸収による）を示す。モード損失の計算に際しては、ｐ電極１９０およびＩＴＯクラッド層における吸収（ＩＴＯの場合における吸収係数が、α〜７００ｃｍ−１であると仮定して）が考慮された。レーザ構造におけるその他全ての層については、損失がないものと仮定された。なお、ＩＴＯクラッド構造の場合における閉じ込め係数は、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ上部クラッド層を備えた従来の素子の場合における閉じ込め係数（Γ〜３．０％）よりも大きく、従って、結果として、モード利得が向上し、閾値電流密度が低下する。
【００２２】
【表１】
2004289157.tif 000003
【００２３】
また、表１および図２によれば、ＳｉＯ２絶縁層部分１８５の下方において導かれた横断方向の光学モードの実効屈折率が、ＩＴＯクラッド層１８０の下の光学モードよりも小さいということが示されている。計算された横方向のインデックスステップは、約０．００５であって、横方向のシングルモード動作を可能にする上で十分に大きい。必要であれば、ＳｉＯ２誘電体の堆積前にＧａＮ：Ｍｇ導波路層１７０を僅かにエッチングすることによって、または、別の電気的に絶縁する誘電材料であって、より低い屈折率を有する材料（例えば、空気）を用いることによって、横方向のインデックスステップを更に向上させることも可能である。例えば、ＳｉＯ２絶縁層部分１８５の領域において、上部導波路層１７０から２０ｎｍのＧａＮ：Ｍｇを除去することによって、横方向のインデックスステップを、０．０１２まで大きくすることが可能である。
【００２４】
また、図２によれば、ＩＴＯクラッド下の閉じ込め係数および実効屈折率は、導波路層１７０が約１２０ｎｍの厚さを有するときに最大となるということが示されている。但し、図示のとおり、図２に開示された範囲全体にわたる導波路の厚さ（すなわち、５０ｎｍ〜約２００ｎｍ）を用いて有益な結果を得ることが可能である。
【００２５】
本発明について、いくつかの具体的な実施の形態を挙げて説明してきたが、本発明に係る発明的な特徴は、その他の実施の形態についても同様に適用可能であるということは、当業者にとって明白であるはずであって、それらの全てが、本発明の範囲に含まれることになるように意図されている。
【００２６】
本発明に係るこれらおよびその他の特徴、態様、および利点が、以上の説明、付属の特許請求の範囲、および添付の図面を参照することでよりよく理解されることになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明によるＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造を示す斜視図である。
【図２】図１に示したＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造における導波路の膜厚に対する閉じ込め係数および実効屈折率の関係を示すグラフである。
【図３】従来のＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造を示す斜視図である。
【図４Ａ】従来のＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造について計算された閉じ込め係数および金属吸収損失を示すグラフである。
【図４Ｂ】従来のＩｎＧａＮ系レーザダイオード構造について計算された閉じ込め係数および金属吸収損失を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
５０，１００  レーザダイオード構造、７０，１５０  多重量子井戸（ＭＱＷ）領域、７４，１７０  上部導波路層、７６，１８０  上部クラッド層。
【図１】
2004289157.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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