(57)【要約】【課題】簡便な手法で反射端面を形成することができ、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得る。【解決手段】(１−１ ０ ０)面を成長面としたｎ型ＺnＯ単結晶基板１上に、ＺnＯ系半導体によってｎ型バッファ層２,ｎ型クラッド層３,ｎ型光ガイド層４,ノンドープ量子井戸活性層５,ｐ型光ガイド層６,ｐ型クラッド層７,ｐ型コンタクト層８を積層し、コンタクト層８およびクラッド層７に[１ １−２ ０]方向のリッジストライプを形成し、リッジストライプに垂直な(１ １−２ ０)面を劈開して光反射端面を形成している。こうして、容易劈開面である互いに直交した２つの容易劈開面を成長面および反射端面とすることによって、簡便な劈開によって反射端面を形成できる。その結果、ドライエッチングで反射端面を形成した比較例に対して、発振閾値電流を３０％減少し、素子寿命を５倍にできる。【選択図】  図１
2004200389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)のうちの何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)の何れか１つである
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)のうちの何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つである
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)の何れか１つである
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項４】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つである
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)のうちの何れか１つである
ことを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項６】
ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、
上記ＺnＯ基板の成長面は、(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つであり、
各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路が形成されると共に、
上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成されており、
上記劈開面は、(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つである
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１乃至請求項６の何れか一つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺnＯ基板の成長主面は、上記成長面から１５゜以下の傾斜を有する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１乃至請求項６の何れか一つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記劈開面に接して形成されると共に、屈折率が異なる複数の無機材料薄膜が積層されて成る多層反射膜
を備えた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８に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記一対の劈開面上に形成された各多層反射膜は、異なる反射率を有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１０】
請求項８あるいは請求項９に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記一対の劈開面上に形成された各多層反射膜の反射率は、５％以上且つ９５％以下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】
この発明は、光学特性および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ーを有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギーが６０meＶと極めて高く、原材料が安価で、環境や人体に無害であり、成膜手法が簡便である等の特徴を有している。尚、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等で表される混晶を含めるものとする。
【０００３】
上記ＺnＯは、強いイオン性に起因する自己補償効果のために従来ｐ型での導電型制御が困難であったが、アクセプタ不純物として窒素(Ｎ)を用いることによってｐ型化が実現し、ＺnＯ系半導体を用いて高効率な発光素子を作製すべく、多くの研究がなされるようになってきている。
【０００４】
中でも、発振波長が４００nm近傍にある青色半導体レーザ素子は、次世代の高密度なディジタル光記録用光源への適用を始めとして実用化が切望されており、ＺnＯ系半導体で青色半導体レーザ素子を作製することができれば、現在実用化されているIII族窒化物半導体を用いた青色半導体レーザ素子よりも高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＺnＯ系半導体によって青色半導体レーザ素子を作製する場合には以下のような問題がある。
【０００６】
すなわち、半導体レーザ素子においては、導波路の延在方向に垂直な一対の反射端面を有するレーザ共振器を形成する必要がある。ＧaＡs/ＡlＧaＡs系材料等は、劈開性を有するため、原子レベルで平坦な反射端面を得ることができる。ところが、上記ＺnＯ系半導体は、六方晶であるために立方晶系半導体に比べて劈開が難しい。特に、サファイア基板上に形成された半導体レーザ素子は、サファイア基板が劈開性を有しないことから、ドライエッチング等の手法によって反射端面を形成せざるを得ない。
【０００７】
しかながら、エッチングによる反射端面は平坦性と平行度とが良好ではなく、劈開によって反射端面が形成された半導体レーザ素子に比べて特性が大きく劣ってしまうという問題がある。さらに、製造プロセスが複雑になり、高コスト化するという問題もある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、簡便な手法で反射端面を形成することができ、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を（１−１ ０ ０）,(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０）,(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)のうちの何れか１つとし、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面を劈開によって形成しており、上記劈開面を(１ １ −２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)の何れか１つとしている。
【００１０】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００１１】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＭ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＡ面である。そして、上記Ａ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ａ面は、上記成長面であるＭ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００１２】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１３】
また、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および（１ ０−１ ０)のうちの何れか１とし、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面が劈開によって形成しており、上記劈開面は(０ ０ ０ １)および（０ ０ ０−１)の何れか１つとしている。
【００１４】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００１５】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＭ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＣ面である。そして、上記Ｃ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ｃ面は、上記成長面であるＭ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００１６】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１７】
また、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つとし、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面を劈開によって形成しており、上記劈開面を(１−１ ０ ０),（０−１ １０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)の何れか１つとしている。
【００１８】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００１９】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＡ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＭ面である。そして、上記Ｍ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ｍ面は、上記成長面であるＡ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００２０】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２１】
また、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),(１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つとし、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面を劈開によって形成しており、上記劈開面を（０ ０ ０ １)および(０ ００−１)の何れか１つとしている。
【００２２】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００２３】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＡ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＣ面である。そして、上記Ｃ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ｃ面は、上記成長面であるＡ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００２４】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２５】
また、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つとして、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面を劈開によって形成しており、上記劈開面を(１−１ ０ ０),(０−１ １ ０),(−１ ０ １ ０),(−１ １ ０ ０),(０ １−１ ０)および(１ ０−１ ０)のうちの何れか１つとしている。
【００２６】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００２７】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＣ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＭ面である。そして、上記Ｍ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ｍ面は、上記成長面であるＣ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００２８】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２９】
また、この発明は、ＺnＯ基板上に形成された六方晶のＺnＯ系半導体層を含む酸化物半導体発光素子であって、上記ＺnＯ基板の成長面を(０ ０ ０ １)および(０ ０ ０−１)の何れか１つとし、各ＺnＯ系半導体層の接合面の方向と平行に延在して導波路を形成すると共に、上記導波路の延在方向に垂直な一対の共振器端面を劈開によって形成しており、上記劈開面を(１ １−２ ０),(２−１−１ ０),（１−２ １ ０),(−１−１ ２ ０),(−２ １ １ ０)および(−１ ２−１ ０)のうちの何れか１つとしている。
【００３０】
上記構成によれば、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。
【００３１】
また、上記ＺnＯ基板の成長面は六方晶系におけるＣ面であり、上記劈開面は六方晶系におけるＡ面である。そして、上記Ａ面は容易劈開面であって極めて平坦性に優れており、反射端面として用いることが可能である。さらに、上記Ａ面は、上記成長面であるＣ面に直交しているため、上記一対の共振器端面を劈開で形成することによって、両反射端面の平行度が極めて高くなる。
【００３２】
したがって、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３３】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記ＺnＯ基板の成長主面を、上記成長面から１５゜以下の傾斜を有するようにしている。
【００３４】
この実施例によれば、上記ＺnＯ基板として、成長面から傾斜している「オフ基板」が使用されている。このような「オフ基板」は、成長主面にステップおよびテラスが形成されているので、材料原子がステップに取り込まれて２次元成長する「ステップフロー成長」が生じ易い。したがって、平坦性に優れたＺnＯ系半導体層が得られ、発光効率と信頼性とに優れた酸化物半導体発光素子が作製される。
【００３５】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記劈開面に接して形成されると共に、屈折率が異なる複数の無機材料薄膜が積層されて成る多層反射膜を備えている。
【００３６】
この実施例によれば、複数の無機材料薄膜が積層されて成る多層反射膜が、レーザ光が出射される劈開反射端面に形成されている。こうすることによって、上記無機材料薄膜の積層数によって反射率が制御可能になると共に、還元雰囲気からの保護効果が高くなる。したがって、長時間の駆動に対しても優れた信頼性が得られる。
【００３７】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記一対の劈開面上に形成された各多層反射膜は異なる反射率を有している。
【００３８】
この実施例によれば、上記一対の劈開面のうちの一方の多層反射膜を高反射率とし、他方の多層反射膜を低反射率とすることによって、損失が抑制されて光出射効率が向上される。
【００３９】
また、１実施例の酸化物半導体発光素子では、上記一対の劈開面上に形成された各多層反射膜の反射率を５％以上且つ９５％以下にしている。
【００４０】
この実施例によれば、一対の劈開面のうちの一方における多層反射膜の反射率を、十分な光出力を確保できる５％以上且つ３５％以下とする一方、他方における多層反射膜の反射率を、十分な反射率を確保できる７０％以上且つ９５％以下とすることが可能になる。こうして、さらに光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４２】
図４は、六方晶ＺnＯ系半導体の結晶構造を表す模式図である。ＺnＯ系半導体は、容易劈開面としてＣ面,Ｍ面およびＡ面を有しており、これらは互いに直交している。すなわち、これら３つの面のうちの何れか２つを結晶成長面および劈開反射端面に選ぶことによって、特性に優れた酸化物半導体レーザ素子を実現することが可能になるのである。
【００４３】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の酸化物半導体発光素子の一例であるＺnＯ系半導体レーザ素子１３における構造を示す斜視図である。また、図２は側面図である。
【００４４】
本ＺnＯ系半導体レーザ素子１３は、(１−１ ０ ０)面を成長面としたｎ型ＺnＯ単結晶基板１上に、Ｇaドーピング濃度が１×１０18cm-3で厚さが０.１μmのｎ型ＺnＯバッファ層２、Ｇaドーピング濃度が３×１０18cm-3で厚さが１μmのｎ型Ｍg0.1Ｚn0.9Ｏクラッド層３、Ｇaドーピング濃度が５×１０17cm-3で厚さが３０nmのｎ型ＺnＯ光ガイド層４、ノンドープ量子井戸活性層５、Ｎドーピング濃度が１×１０18cm-3で厚さが３０nmのｐ型ＺnＯ光ガイド層６、Ｎドーピング濃度が５×１０19cm-3で厚さが１.２μmのｐ型Ｍg0.1Ｚn0.9Ｏクラッド層７、Ｎドーピング濃度が１×１０20cm-3で厚さが０.５μmのｐ型ＺnＯコンタクト層８が、順次積層されている。
【００４５】
上記量子井戸活性層５は、厚さ５nmのＺnＯ障壁層を２層と厚さ６nmのＣd0.1Ｚn0.9Ｏ井戸層を３層とを、交互に積層して構成されている。また、ｐ型ＺnＯコンタクト層８およびｐ型Ｍg0.1Ｚn0.9Ｏクラッド層７は、[１ １−２ ０]方向にリッジストライプ状にエッチング加工されており、リッジストライプの側面はＧaが３×１０18cm-3の濃度でドーピングされたｎ型Ｍg0.2Ｚn0.8Ｏ電流ブロック層９によって埋め込まれている。
【００４６】
また、上記ｎ型ＺnＯ単結晶基板１の下面にはｎ型オーミック電極１０が形成され、ｐ型ＺnＯコンタクト層８およびｎ型Ｍg0.2Ｚn0.8Ｏ電流ブロック層９の上面にはｐ型オーミック電極１１が形成されている。
【００４７】
さらに、光共振器を形成する光反射端面は、上記リッジストライプの延在方向[１ １−２ ０]に垂直な(１ １−２ ０)面を劈開することによって形成され、前後の両光反射面には、厚さが６０nmのＭgＯ層１２aと厚さが７０nmのＳiＯ2層１２bとが交互に積層されて成る多層反射膜１２が積層されている。その際に、波長が４０５nmの光に対する反射率が、一方(前方)の光反射面が３０％になり、他方(後方)の光反射面が９５％になるように、夫々の多層反射膜１２におけるＭgＯ層１２aとＳiＯ2層１２bとの積層数が調整されている。
【００４８】
本実施の形態は、上記ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＭ面およびＡ面を、成長面および光反射端面としたことに特徴を有している。
【００４９】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子１３に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４０５nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流は４０mＡであり、素子寿命(６０℃,光出力５mＷで連続発振させて動作電流が初期値よりも２０％増大した時間で定義する)は１０,０００時間であった。
【００５０】
比較例として、光反射端面を、劈開ではなくドライエッチングによって形成したＺnＯ系半導体レーザ素子を作成した。その場合には、発振閾値電流が３０％増大し、素子寿命は２,０００時間と１/５になった。
【００５１】
上述したように、本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子１３では、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子が形成される。また、劈開によって光反射端面を形成しているために、平坦性,垂直性および平行度が優れている。したがって、光反射端面をドライエッチングによって形成した比較例のＺnＯ系半導体レーザ素子に比して特性を向上することができるのである。
【００５２】
図３に、(１−１ ０ ０)面に対して種々の傾斜を有するＺnＯ単結晶基板を用いてＺnＯ系半導体レーザ素子１３と同様のＺnＯ系半導体レーザ素子を作製した場合における基板オフ角度と発光強度との関係を示す。尚、図３における発光強度は、発振閾値電流以下の２０mＡでＺnＯ系半導体レーザ素子を駆動し、その自然放出光の強度を比較したものである。
【００５３】
図３によれば、オフ角度が１５゜までは、傾斜の無い「ジャスト基板」に比べて発光強度が増大し、オフ角度が１５゜を越えると発光強度が急激に減少する。すなわち、成長面が１５゜以下の傾斜を有する「オフ基板」を用いることが好ましいことが分る。
【００５４】
尚、上述のごとく、「オフ基板」を用いると発光強度が増大する理由は、材料原子がステップに取り込まれて２次元成長する「ステップフロー成長」が生じ、ＺnＯ系半導体層の結晶性と平坦性とが改善されたためであり、特に傾斜角１５゜までのオフ基板であれば、適度なステップの高さとテラスの広さとを有するために優れた成長層の平坦性が得られたものと考えられる。
【００５５】
本実施の形態において示したように、半導体レーザ素子の一方の端面を高反射とする一方、他方の端面を低反射とすることによって、光出射効率を向上させることができる。また、端面を酸化物多層膜である多層反射膜１２で覆うことによって、ＺnＯ系半導体レーザ素子１３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でき、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ＺnＯ系半導体レーザ素子１３を作製することができるのである。
【００５６】
尚、半導体レーザ素子の端面反射率は、一方の端面(前面)の反射率が５％〜３５％であれば十分な光出力を確保でき、且つ、他方の端面(後面)の反射率が７０％以上であれば十分な反射率を確保できる。但し、半導体レーザ素子の光出力をモニタするために上記後面からの光出力を受光素子(図示せず)で検出する場合には、上記後面の反射率を９０％以下にすることが好ましい。
【００５７】
・第２実施の形態
本実施の形態においては、リッジストライプを[０ ０ ０ １]方向に形成し、上記リッジストライプの延在方向に垂直な(０ ０ ０ １)面を劈開することによって光反射端面を形成した他は、上記第１実施の形態と同様にしてＺnＯ系半導体レーザ素子を作製している。
【００５８】
つまり、本実施の形態は、上記六方晶ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＭ面およびＣ面を、成長面および反射端面としたものである。
【００５９】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４１０nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流および素子寿命は、上記第１実施の形態と同様に４０mＡおよび１０,０００時間であった。
【００６０】
・第３実施の形態
本実施の形態においては、成長面としてＺnＯ単結晶基板の(１ １−２ ０)面を用い、リッジストライプを[１−１ ０ ０]方向に形成し、上記リッジストライプの延在方向に垂直な(１−１ ０ ０)面を劈開することによって光反射端面を形成した他は、上記第１実施の形態と同様にしてＺnＯ系半導体レーザ素子を作製している。
【００６１】
つまり、本実施の形態は、上記六方晶ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＡ面およびＭ面を、成長面および反射端面としたものである。
【００６２】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４１０nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流および素子寿命は、上記第１実施の形態と同様に４０mＡおよび１０,０００時間であった。
【００６３】
・第４実施の形態
本実施の形態においては、リッジストライプを[０ ０ ０ １]方向に形成し、上記リッジストライプの延在方向に垂直な(０ ０ ０ １)面を劈開することによって光反射端面を形成した他は、上記第３実施の形態と同様にしてＺnＯ系半導体レーザ素子を作製している。
【００６４】
つまり、本実施の形態は、上記六方晶ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＡ面およびＣ面を、成長面および反射端面としたものである。
【００６５】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４１０nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流および素子寿命は、上記第１実施の形態と同様に４０mＡおよび１０,０００時間であった。
【００６６】
・第５実施の形態
本実施の形態においては、成長面としてＺnＯ単結晶基板の(０ ０ ０ １)面を用い、リッジストライプを[１ １−２ ０]方向に形成し、上記リッジストライプの延在方向に垂直な(１ １−２ ０)面を劈開することによって光反射端面を形成した他は、上記第１実施の形態と同様にしてＺnＯ系半導体レーザ素子を作製している。
【００６７】
つまり、本実施の形態は、上記六方晶ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＣ面およびＡ面を、成長面および反射端面としたものである。
【００６８】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４１０nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流および素子寿命は、上記第１実施の形態と同様に４０mＡおよび１０,０００時間であった。
【００６９】
・第６実施の形態
本実施の形態においては、リッジストライプを[１−１ ０ ０]方向に形成し、上記リッジストライプの延在方向に垂直な(１−１ ０ ０)面を劈開することによって光反射端面を形成した他は、上記第５実施の形態と同様にしてＺnＯ系半導体レーザ素子を作製している。
【００７０】
つまり、本実施の形態は、上記六方晶ＺnＯ系半導体における容易劈開面である互いに直交した３つのＣ面,Ｍ面およびＡ面のうちのＣ面およびＭ面を、成長面および反射端面としたものである。
【００７１】
本実施の形態におけるＺnＯ系半導体レーザ素子に電流を流したところ、劈開反射端面から波長が４１０nmの青色発振光が得られた。その場合における発振閾値電流および素子寿命は、上記第１実施の形態と同様に４０mＡおよび１０,０００時間であった。
【００７２】
尚、上記各実施の形態においては、上記六方晶ＺnＯ系半導体におけるＭ面として(１−１ ０ ０)面を例示しているが、(０−１ １ ０)面,(−１ ０ １ ０)面,(−１ １ ０ ０)面,(０ １−１ ０)面あるいは(１ ０−１ ０)面を用いても一向に差し支えない。また、Ａ面として(１ １−２ ０)面を例示しているが、(２−１−１ ０)面,(１−２ １ ０)面,(−１−１ ２ ０)面,(−２ １ １ ０)面および(−１ ２−１ ０)面を用いても一向に差し支えない。また、Ｃ面として(０ ００ １)面を例示しているが、(０ ０ ０−１)面を用いても一向に差し支えないのである。
【００７３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７４】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＭ面とし、一対の共振器端面を上記Ｍ面に直交したＡ面としている。したがって、容易劈開面であるＡ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＡ面はＭ面に平行な接合面方向に垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００７５】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７６】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＭ面とし、一対の共振器端面を上記Ｍ面に直交したＣ面としている。したがって、容易劈開面であるＣ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＣ面はＭ面に平行な接合面方向に対して垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００７７】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７８】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＡ面とし、一対の共振器端面を上記Ａ面に直交したＭ面としている。したがって、容易劈開面であるＭ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＭ面はＡ面に平行な接合面方向に対して垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００７９】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８０】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＡ面とし、一対の共振器端面を上記Ａ面に直交したＣ面としている。したがって、容易劈開面であるＣ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＣ面はＡ面に平行な接合面方向に対して垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００８１】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８２】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＣ面とし、一対の共振器端面を上記Ｃ面に直交したＡ面としている。したがって、容易劈開面であるＡ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＡ面はＣ面に平行な接合面方向に垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００８３】
また、この発明の酸化物半導体発光素子は、基板材料として、ＺnＯ系半導体層を成長させるのに最も適したＺnＯ基板を使用している。したがって、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８４】
さらに、上記ＺnＯ基板の成長面を六方晶系におけるＣ面とし、一対の共振器端面を上記Ｃ面に直交したＭ面としている。したがって、容易劈開面であるＭ面を劈開して共振器端面を形成することができ、エッチングによって形成した場合に比して光反射端面の平坦性を大幅に高めることができる。その場合、劈開面であるＭ面はＣ面に平行な接合面方向に垂直である。したがって、両反射端面の平行度を極めて高くすることができる。
【００８５】
すなわち、上記各発明によれば、劈開という簡便な手法で平坦性と平行度とに優れた反射端面を形成することができ、光学特性と信頼性とに優れた酸化物半導体レーザ素子を提供することができるのである。
【００８６】
尚、上記ＺnＯ基板の成長主面を上記成長面から１５゜以下の傾斜を有する「オフ基板」とすれば、平坦性に優れたＺnＯ系半導体層を得ることができ、さらに発光効率と信頼性とに優れた酸化物半導体発光素子を提供できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の酸化物半導体発光素子の一例であるＺnＯ系半導体レーザ素子における斜視図である。
【図２】図１示すＺnＯ系半導体レーザ素子の側面図である。
【図３】(１−１ ０ ０)面に対して傾斜を有するＺnＯ単結晶基板を用いた場合におけるオフ角度と発光強度との関係を示す図である。
【図４】六方晶ＺnＯ系半導体の結晶構造を表す模式図である。
【符号の説明】
１…ｎ型ＺnＯ単結晶基板、
２…ｎ型ＺnＯバッファ層、
３…ｎ型Ｍg0.1Ｚn0.9Ｏクラッド層、
４…ｎ型ＺnＯ光ガイド層、
５…ノンドープ量子井戸活性層、
６…ｐ型ＺnＯ光ガイド層、
７…ｐ型Ｍg0.1Ｚn0.9Ｏクラッド層、
８…ｐ型ＺnＯコンタクト層、
９…ｎ型Ｍg0.2Ｚn0.8Ｏ電流ブロック層、
１０…ｎ型オーミック電極、
１１…ｐ型オーミック電極、
１２a…ＭgＯ層、
１２b…ＳiＯ2層、
１２…多層反射膜、
１３…ＺnＯ系半導体レーザ素子。
【図１】
2004200389.tif 000003
【図２】
2004200389.tif 000004
【図３】
2004200389.tif 000005
【図４】
2004200389.tif 000006