(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層上に設けられた電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層と、
前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層上に形成され、リッジ部を有し、超格子構造のクラッド層と、
前記クラッド層のリッジ部の頂部を覆うとともに、前記リッジ部の側面に直接接触する電極とを備え、
前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層には、ストライプ状の開口が形成され、
前記クラッド層が有する前記リッジ部のうち最も幅寸法が小さい部分の幅をＷ１、前記開口幅をＷ２とした場合、Ｗ１＞Ｗ２であるインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
Ｗ１／Ｗ２が１．５以上、３０以下であるインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層の厚みが５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であるインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
２μｍ≦Ｗ１≦３０μｍ
であるインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
前記電極は、前記クラッド層の前記リッジ部の側面の全面を覆うインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
前記クラッド層上に設けられ、開口を有する絶縁層を備え、
前記絶縁層の開口端が前記リッジ部の外側に位置しているインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
前記クラッド層は、前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層の前記開口から成長したものであるインナーストライプ型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のインナーストライプ型半導体レーザにおいて、
前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層の下地層に対する被覆率が５０％以下であるインナーストライプ型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インナーストライプ型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク用光源等として、半導体レーザ素子が使用されている。図４および図５に、従来の半導体レーザ素子７、８を示す（例えば、特許文献１参照）。
図４の半導体レーザ素子８は、半導体基板８０上に、下部クラッド層８１、光ガイド層８２、活性層８３、エレクトロンブロック層８４、光ガイド層８５、上部クラッド層８６、電流狭窄層８７、コンタクト層８９を積層したものである。
この半導体レーザ素子８は、電流狭窄層８７が上部クラッド層８６中に埋め込まれたレーザ素子であり、電流狭窄層８７が電流狭窄機能および光閉じ込め機能を有するものとなっている。
なお、図４において、符号９０は、ＳｉＯ２膜、符号９１は、ｐ電極、符号９２は、ｎ電極を示す。
【０００３】
一方、図５の半導体レーザ素子７は、半導体基板８０上に、下部クラッド層８１、光ガイド層８２、活性層８３、エレクトロンブロック層８４、光ガイド層７５（層７５ａおよび層７５ｂから構成される）、電流狭窄層７７、コンタクト層８９、上部クラッド層７８を設けたものとなっている。上部クラッド層７８は、リッジ部７８Ａを有し、電流狭窄層７７は、光ガイド層７５中に埋め込まれている。
このような半導体レーザ素子７では、特許文献１の段落００２４にもあるように、電流狭窄を電流狭窄層７７で行い、横モードの発振制御をリッジ部７８Ａにより行なっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４４３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、半導体レーザ素子の消費電力の更なる低減化が要請されている。消費電力低減の要請に応えるためには、半導体レーザ素子の動作電圧を充分に低くする必要がある。
しかしながら、上記特許文献１記載の従来技術では、このような動作電圧の低減に応えることが難しい。
図４に示した半導体レーザ素子８は、リッジ部を有しておらず、リッジ部上部にのみｐ側電極を設けたリッジ型半導体レーザ素子に比べ、ｐ側電極９１のコンタクト層８９に対するコンタクト面積が広く取れると考えられる。そのため、コンタクト抵抗を低くすることができ、低電圧で動作する半導体レーザ素子を実現できると推測されていた。しかしながら、本発明者らが検討した結果、電極幅２０μｍまではコンタクト抵抗が低減するものの、電極幅を２０μｍ以上とした場合であっても、コンタクト抵抗は低減せず、充分に低い動作電圧を得ることは困難であることがわかった。
また、図５に示した半導体レーザ素子７においても、充分に低い動作電圧を得ることは困難である。これに加え、図５に示した半導体レーザ素子７では、電流狭窄を電流狭窄層７７で行い、横モードの発振制御をリッジ部７８Ａにより行なっている。従って、リッジ部７８Ａの幅を横モード発振制御ができるよう狭く形成しなければならず、一般にリッジ幅は電流狭窄層７７の開口幅以下となる。このような半導体レーザ素子７では、リッジ部７８Ａの幅を狭く、精度よく形成しなければならず、半導体レーザ素子７の製造の歩留まりを向上させることが非常に難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、活性層と、前記活性層上に設けられた電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層と、前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層上に形成され、リッジ部を有し、超格子構造のクラッド層と、前記クラッド層のリッジ部の頂部を覆うとともに、前記リッジ部の側面に直接接触する電極とを備え、前記電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層には、ストライプ状の開口が形成され、前記クラッド層が有する前記リッジ部のうち最も幅寸法が小さい部分の幅をＷ１、前記開口幅をＷ２とした場合、Ｗ１＞Ｗ２であるインナーストライプ型半導体レーザが提供される。
【０００７】
ここで、開口幅とは、開口の長手方向と直交する方向の幅である。リッジ幅も同様に、前記開口の長手方向と直交する方向の幅のことである。
また、インナーストライプ型半導体レーザとは、電流狭窄機能と光閉じ込め機能を有する層がクラッド層に埋め込まれた半導体レーザ素子のことをいう。
【０００８】
この構成によれば、クラッド層は超格子構造となっている。この超格子構造を構成する各層の界面には、ピエゾ効果によるキャリアが誘起されるため、層厚方向の抵抗が低減される。これにより、インナーストライプ型半導体レーザの動作電圧を大幅に低減することができる。
さらには、本発明では、超格子構造のクラッド層のリッジ部の側面に電極が直接接触している。超格子構造のクラッド層では、前述したように、超格子構造を構成する各層の界面に、キャリアが誘起されるため、層厚方向の抵抗が低減され、さらに、層方向のキャリア易動度が増加する。これにより、クラッド層のリッジ部側面からの電流注入が可能となり、リッジ部の側面に接触する電極を設けることで、電極のコンタクト面積を大きくすることができる。これにより、さらなる動作電圧の低減を図ることができる。
【０００９】
また、本発明において、クラッド層のリッジ部は、側面から電流を注入するためのものであり、光閉じ込めを行なうために設けられたものではない。従って、リッジ幅を狭く形成する必要がなく、本発明のインナーストライプ型半導体レーザのリッジ幅は、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層の開口幅よりも大きくなっている。このように、本発明では、リッジ幅を広くしているため、電極のコンタクト面積を大きく確保することができ、コンタクト抵抗を低減させることができる。これによっても、さらなる動作電圧の低減を図ることができる。
【００１０】
また、本発明では、リッジ部の側面に電極を設けるとともに、リッジ部のリッジ幅を電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層の開口幅よりも広くしているので、電極の面積を大きくすることができる。これにより、電極の放熱性を向上させることもできる。
【００１１】
図５に示した従来の半導体レーザ素子では、リッジ部により光閉じ込めを行なっていたので、リッジ幅を精度よく狭く形成しなければならない。しかしながら、リッジ部を精度よく狭く加工することは非常に難しいため、光閉じ込め機能が充分でない半導体レーザ素子が製造されてしまうことがあり、製造の歩留まりが悪い。
これに対し、本発明では、リッジ部により、光閉じ込めを行なうのではなく、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層で光閉じ込めを行なっている。そのため、リッジ部を精度よく加工できなかったとしても、光閉じ込め機能が低下することはなく、光閉じ込め機能を充分に発揮することができるインナーストライプ型半導体レーザを安定して製造することができ、製造の歩留まりを向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、動作電圧を低減することができ、製造の歩留まりを向上させることができるインナーストライプ型半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第一実施形態）
図１を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
まず、インナーストライプ型半導体レーザ１の概要について説明する。
インナーストライプ型半導体レーザ１は、活性層（３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層）１０５と、活性層１０５上に設けられた電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４と、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４上に形成され、リッジ部１０８Ａを有し、超格子構造のクラッド層（ｐ型クラッド層）１０８と、クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの頂部を覆うとともに、リッジ部１０８Ａの側面に直接接触する電極（ｐ側電極）１１２とを備える。
電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４には、ストライプ状の開口１１４Ａが形成され、クラッド層１０８のリッジ幅をＷ１、開口１１４Ａの開口幅をＷ２とした場合、Ｗ１>Ｗ２である。
【００１４】
以下に、インナーストライプ型半導体レーザ１について詳細に説明する。
インナーストライプ型半導体レーザ１は、ｎ型ＧａＮ基板１０１と、このｎ型ＧａＮ基板１０１上に設けられたＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０２と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２上に設けられたｎ型クラッド層１０３と、ｎ型クラッド層１０３上に設けられたｎ型光閉じ込め層１０４と、ｎ型光閉じ込め層１０４上に設けられた活性層１０５と、活性層１０５上に設けられたキャップ層１０６と、キャップ層１０６上に設けられたｐ型ＧａＮガイド層１０７と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に設けられた電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４と、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４上に設けられたｐ型クラッド層１０８と、クラッド層１０８上に設けられたｐ型コンタクト層１０９と、ｐ側電極１１２と、ｎ側電極１１３とを有する。
【００１５】
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２は、例えば、Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍの層である。
ｎ型クラッド層１０３は、例えばＳｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるものである。
さらに、ｎ型光閉じ込め層１０４は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるものである。
活性層１０５は、例えば、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。
キャップ層１０６は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるものであり、ｐ型ＧａＮガイド層１０７は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるものである。
【００１６】
電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４は、III族窒化物半導体層であり、例えば、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）である。また、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４は、ＡｌＮ層であることが好ましい。
この電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４には、ストライプ状の開口１１４Ａが形成されている。この開口１１４Ａの開口幅Ｗ２（開口１１４Ａの長手方向と直交する幅寸法）は、例えば、１μｍ以上、３μｍ以下である。
また、この電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みは、５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。なかでも、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みは、１００ｎｍ以上であることが好ましい。１００ｎｍ以上とすることで、光閉じ込め機能を充分に発揮させることができる。
また、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４は、２００ｎｍ以下であることが好ましい。電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みを２００ｎｍ以下とすることで、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の結晶性の悪化を防止することができる。
【００１７】
ｐ型クラッド層１０８は、少なくともＧａＮを含む超格子構造であり、ＧａＮ層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０<ｘ<１）とが交互に積層されたものである。本実施形態では、ｐ型クラッド層１０８は、ＧａＮ層およびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層が交互に積層された超格子構造を有する。超格子の周期数は、少なくとも５０周期以上、より好ましくは１４０周期以上である。本実施形態では１３０周期とする。
このｐ型クラッド層１０８は、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の前記開口１１４Ａから成長したものである。ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７との界面は、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口１１４Ａの底部にある。
【００１８】
このようなｐ型クラッド層１０８には、凸形状のリッジ部１０８Ａが形成されている。リッジ部１０８Ａは、その両脇に埋め込み層が設けられていない非埋め込み型のリッジであり、リッジ部１０８Ａの側面には、ｐ側電極１１２が直接接触している。
このリッジ部１０８Ａは、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口１１４Ａ上方に位置し、開口１１４Ａの長手方向に沿って延びている。
リッジ部１０８Ａの幅寸法Ｗ１（開口１１４Ａの長手方向と直交する幅寸法）は、開口１１４Ａの開口幅Ｗ２よりも大きい。ここで、幅寸法Ｗ１は、リッジ部１０８Ａの開口１１４Ａの長手方向と直交する幅寸法のうち、最も小さい幅寸法である。本実施形態のようにリッジ部１０８Ａが断面逆テーパ形状である場合にはリッジ部１０８Ａの最上部の幅寸法となる。
また、Ｗ１／Ｗ２は、１．５以上、３０以下となっている。なかでも、Ｗ１／Ｗ２は、５以上であることが好ましい。Ｗ１／Ｗ２を５以上とすることで、ｐ側電極１１２のコンタクト面積を大きく確保することができ、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。
さらには、Ｗ１／Ｗ２は、２０以下であることが好ましい。Ｗ１／Ｗ２を、２０以下とすることで、リッジ部１０８Ａの側面からの電流の注入を効果的に行なうことができる。
また、２μｍ≦Ｗ１≦３０μｍである。なかでも、Ｗ１は１５μｍ以上であることが好ましく、さらには、２５μｍ以下であることが好ましい。Ｗ１を１５μｍ以上とすることで、ｐ側電極１１２のコンタクト面積を確実に大きく確保することができ、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。
このリッジ部１０８Ａは、ｐ側電極１１２からの電流の注入を行なうために設けられたものであり、光閉じ込めを行なうものではない。
【００１９】
ｐ型コンタクト層１０９は、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの頂部のみを覆うように形成されている。このｐ型コンタクト層１０９は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３以下、厚さ０．０２μｍ）からなる層である。
【００２０】
ｐ側電極１１２は、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの頂部を覆うとともに、リッジ部１０８Ａの側面に直接接触している。より詳細に説明すると、ｐ側電極１１２は、リッジ部１０８Ａの頂部に設けられたｐ型コンタクト層１０９に直接接触し、このｐ型コンタクト層１０９を覆うとともに、リッジ部１０８Ａの側面に直接接触している。さらには、ｐ側電極１１２は、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの外側部分にも接触している。
ここで、リッジ部１０８Ａの側面は、その全面がｐ側電極１１２により覆われている。
ｐ側電極１１２としては、例えば、Ｔｉを含有する積層電極があげられる。
【００２１】
ｎ側電極１１３は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２が積層されていない側の面）に設けられている。このｎ側電極１１３としては、例えば、Ｔｉを含有する積層電極があげられる。
【００２２】
次に、以上のような構造のインナーストライプ型半導体レーザ１の製造方法について説明する。
はじめにｎ型ＧａＮ基板１０１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、活性層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７を、たとえば、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法）により積層する。
次に、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４を積層する。
電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４は、低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングにより開口１１４Ａを設け、その後、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０８よりも上部の層を形成することにより、非結晶層を結晶層に変換するという工程により形成される。
電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４となるＡｌＮ層は、ＭＯＶＰＥ法により６００℃以下の低温で堆積される。これはＭＯＶＰＥ法によりｐ型ＧａＮガイド層１０７上に高温で単結晶ＡｌＮ層を作製すると、堆積時にＡｌＮ層にクラックが発生するためである。６００℃以下の低温で非結晶のＡｌＮを約０．１μｍ堆積する。次に、非結晶のＡｌＮを選択的に除去し、開口１１４Ａを形成する。ここでは、リン酸および硫酸を含有するエッチング液を使用する。
【００２３】
その後、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４上に、ｐ型クラッド層１０８をＡｌＮ層の堆積温度よりも高い温度（例えば、８００℃〜１２００℃）で積層し、さらに、ｐ型コンタクト層１０９を積層する。なお、ｐ型クラッド層１０８は、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口１１４Ａから成長し、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４を埋め込む。
次に、ｐ型コンタクト層１０９上に開口１１４Ａの長手方向に沿って延びるマスクを形成する。その後、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９の一部をドライエッチングにより選択的に除去し、リッジ部１０８Ａを形成する。ｐ型コンタクト層１０９は、リッジ部１０８Ａの頂部にのみ残ることとなる。
その後、ｐ側電極１１２、ｎ側電極１１３を設ける。以上のような工程により、インナーストライプ型半導体レーザ１を製造することができる。
【００２４】
以下、本実施形態にかかるインナーストライプ型半導体レーザ１の作用効果について説明する。
本実施形態では、ｐ型クラッド層１０８は超格子構造となっている。この超格子構造を構成する各層の界面には、ピエゾ効果によるキャリアが誘起されるため、層厚方向の抵抗が低減される。これにより、インナーストライプ型半導体レーザ１の動作電圧を大幅に低減することができる。
さらに、本実施形態では、超格子構造のｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの側面にｐ側電極１１２が直接接触している。超格子構造のｐ型クラッド層１０８では、前述したように、超格子構造を構成する各層の界面に、キャリアが誘起されるため、層厚方向の抵抗が低減されるとともに、さらに、層方向のキャリア易動度が増加する。これにより、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの側面からの電流注入が可能となり、リッジ部１０８Ａの側面に接触するｐ側電極１１２を設けることで、ｐ側電極１１２のコンタクト面積を大きくすることができる。これにより、さらなる動作電圧の低減を図ることができる。
【００２５】
また、リッジ幅Ｗ１と、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口幅Ｗ２との比であるＷ１／Ｗ２を１．５以上とすることで、リッジ幅を広くし、ｐ側電極１１２のコンタクト面積を大きく確保することができ、コンタクト抵抗のより一層の低減を図ることができる。これにより、さらなる動作電圧の低減を図ることができる。
これに加え、Ｗ１を１５μｍ以上とすることによっても、ｐ側電極１１２のコンタクト面積を大きく確保することができ、コンタクト抵抗のより一層の低減を図ることができる。
【００２６】
さらに、本実施形態では、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａの側面の全面をｐ側電極１１２で覆っている。これにより、ｐ側電極１１２のコンタクト面積をより一層大きなものとすることができ、さらなる動作電圧の低減を図ることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、リッジ部１０８Ａのリッジ幅を広くするとともに、リッジ部１０８Ａの側面に接触するｐ側電極１１２を設けているため、ｐ側電極１１２の面積を大きくすることができるので、ｐ側電極１１２の放熱性を向上させることもできる。特に、本実施形態では、リッジ部１０８Ａの側面の全面をｐ側電極１１２で覆っており、ｐ側電極１１２の面積を大きなものとすることができるので、ｐ側電極１１２の放熱性をより一層高めることができる。
【００２８】
さらに、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａは、電流を注入するために設けられたものであり、光閉じ込めを行なうものではない。これは、リッジ部１０８Ａの幅Ｗ１を２μｍ≦Ｗ１とし、シングルモードとなるリッジ幅よりも大きな幅寸法としていることからも明らかである。
ここで、リッジ部により、光閉じ込めを行なう場合には、リッジ幅を狭く、精度よく形成しなければならない。T. Asano et al., Proc. SPIE 5635 (2004) 297に記載されているリッジ幅に対するシングルモード光出力の計算によれば、リッジ部で光閉じ込めを行なう場合、１００ｍＷ以上のシングルモードの光出力を得るためには、リッジ幅を１．５μｍ以下としなければならない。さらに、本発明者らが検討したところ、リッジ部で光閉じ込めを行なう場合には、２μｍ以上のリッジ幅では、５０ｍＷ以下の光出力でキンクが発生するとの結果が得られている。従って、１００ｍＷ以上のシングルモードの光出力を得るためには、リッジ幅を２μｍ未満（好ましくは１．５μｍ以下）とする必要がある。
従って、本実施形態では、リッジ部１０８Ａの幅Ｗ１を２μｍ以上としていることから、リッジ部１０８Ａは、光閉じ込めを行なうためのものでないことは明らかである。
このように、リッジ部１０８Ａは、光閉じ込めを行なうためのものではないため、リッジ幅を狭く、精度よく形成する必要がない。本実施形態では、例え、リッジ部１０８Ａを精度よく加工できなかったとしても、光閉じ込め機能が低下することはなく、光閉じ込め機能を発揮することができるインナーストライプ型半導体レーザ１を安定して製造することができ、製造の歩留まりを向上させることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、リッジ部１０８Ａの幅Ｗ１と電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口幅Ｗ２との比であるＷ１／Ｗ２を３０以下とし、さらには、リッジ部１０８Ａの幅Ｗ１を３０μｍ以下としている。リッジ部１０８Ａの幅を必要以上に大きく確保する必要がなく、インナーストライプ型半導体レーザ１の小型化を図ることができる。また、リッジ部の幅を大きくしすぎると、リッジ部の側面から開口１１４Ａまでの距離が離れ、電気的抵抗が上昇し、動作電圧の低減効果が飽和すると考えられる。電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の開口幅Ｗ２との比であるＷ１／Ｗ２を３０以下とし、さらには、リッジ部１０８Ａの幅Ｗ１を３０μｍ以下とすることで、インナーストライプ型半導体レーザ１の小型化をはかりつつ、動作電圧の低減効果を発揮することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みを５０ｎｍ以上としているので、光閉じ込め機能を充分に発揮させることができる。
なお、III族窒化物半導体層である電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みを５０ｎｍ以上とするためには、前述したように、低温でIII族窒化物半導体層の非結晶層を形成し、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０８よりも上部の層を形成することにより、非結晶層を結晶層に変換するという工程により形成することができる。
ＥＣＲ（Electron Coupling Resonance）スパッタ法により、III族窒化物半導体層である電流狭窄層を形成する場合には、特許文献１の段落００１０にも記載されているように、３０ｎｍが限界である。特許文献１に記載されているようにＥＣＲ（Electron Coupling Resonance）スパッタ法により、３０ｎｍを超えるIII族窒化物半導体層の電流狭窄層を形成した場合には、クラックが発生してしまう。これに加え、伊藤健治（１９９２）「AlxGa1-xNのMOVPE成長と結晶学的光学的特性に関する研究」名古屋大学博士学位論文p36, 図3-9では、ＧａＮ上に成長した単結晶ＡｌＮは１０ｎｍ程度でクラックが発生するとも言われている（図２参照。図２は、Matthewsらの理論に従って計算されたＧａＮ膜上のＡｌｘＧａ1-ｘＮ膜の組成ｘと、臨界膜厚との関係を示す（実線は転位の発生する臨界膜厚、破線はクラックが発生する臨界膜厚を示す））。
従って、特許文献１では、電流狭窄層の厚みを確保することができないため、電流狭窄層により、光閉じ込めを行なうことは不可能である。
【００３１】
さらに、本実施形態では、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みを５００ｎｍ以下としているので、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４をｐ型クラッド層１０８で埋め込む際に時間を要しない。これに加え、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の厚みを５００ｎｍ以下としているので、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の結晶品質を良好なものとすることができる。
【００３２】
（第二実施形態）
図３を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。
本実施形態のインナーストライプ型半導体レーザ２では、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の形状が、前記実施形態の電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４の形状と異なっている。
本実施形態では、ｐ型クラッド層１０８のリッジ部１０８Ａ以外の部分（リッジ部１０８Ａの両側部分）直下の領域の一部には、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が設けられていない。すなわち、電流注入領域の周囲に電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が設けられており、さらにその外側の領域においては電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が設けられていない構造となっている。
この電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４は、ｐ型クラッド層１０８中に埋め込まれた状態となっており、開口１１４Ａの長手方向と直交する断面において、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の端部は、ｐ型クラッド層１０８の端部よりも内側に位置している。
この電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４のｐ型ＧａＮガイド層１０７（下地層）に対する被覆率は、５０％以下である。より好ましくは、この電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４のｐ型ＧａＮガイド層１０７に対する被覆率は、２０％以下である。
なお、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４は、電流注入領域に両脇に設けられた一対のストライプ状の層から構成されており、一対のストライプ状の層間が開口１１４Ａとなっている。
【００３３】
また、インナーストライプ型半導体レーザ２は、絶縁層２２０を有する。この絶縁層２２０は、ｐ型クラッド層１０８上に設けられ、絶縁層２２０には開口が形成されている。絶縁層２２０の開口端２２０Ａは、リッジ部１０８Ａの外側にある。すなわち、本実施形態では、絶縁層２２０は、リッジ部１０８Ａ以外の部分を被覆している。
絶縁層２２０は、少なくとも、開口１１４Ａ以外の部分であり、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が形成されていない部分の上部を被覆すればよい。ただし、絶縁層２２０の開口端２２０Ａが、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の上部に位置していることが好ましい。
ここで、絶縁層２２０としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等があげられる。
なお、本実施形態のインナーストライプ型半導体レーザ２は、絶縁層２２０および電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４以外の構造は、前記実施形態のインナーストライプ型半導体レーザ１と同じである。
【００３４】
このようなインナーストライプ型半導体レーザ２は、前記実施形態と同様の方法で製造することができる。なお、絶縁層２２０は、以下のように形成される。
リッジ部１０８Ａを形成した後、リッジ部１０８Ａおよびリッジ部１０８Ａ以外の部分の全面を覆うように絶縁層を設ける。そして、リッジ部１０８Ａ上の絶縁層をエッチングにより選択的に除去する。これにより、絶縁層２２０が形成されることとなる。
【００３５】
このような本実施形態によれば、前記実施形態と同様の効果を奏することができるうえ、以下の効果を奏する。
電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４のｐ型ＧａＮガイド層１０７に対する被覆率を５０％以下としている。このように電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の被覆率を小さくすることで、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４に起因して発生する歪を小さくすることができる。従って、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の上に設けられるｐ型クラッド層１０８の結晶性を良好なものとすることができる。
【００３６】
また、前述したように、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の被覆率を小さくすることでｐ型クラッド層１０８の結晶性を良好なものとすることができる。
しかしながら、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の被覆率を小さくした場合、電極から注入されたキャリアの漏出が懸念される。そこで、絶縁層２２０を設け、開口１１４Ａ以外の部分であり、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が形成されていない部分の上部を被覆することで、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４が設けられていない領域に電流が注入されない構造を実現することができる。これにより、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４による歪みの発生を抑制し、かつ、良好な電流注入効率を実現することが可能となる。
なお、絶縁層２２０には、素子の寄生容量を低減する効果もあり、絶縁層２２０を設けることは、周波数特性の点においても有利となる。
【００３７】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４、２１４として、ＡｌＮ層を例示したが、これに限らず、ＡｌＧａＮ層であってもよい。さらには、ＡｌＮ層やＡｌＧａＮ層に、シリコンや酸素等のｎ型不純物をドーピングしてもよい。電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４、２１４にはｐ型クラッド層１０８の埋め込み成長時にｐ型不純物であるＭｇが拡散して無効電流が増加することが懸念されるが、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４、２１４にｎ型不純物をドーピングすることによってこれを補償して、無効電流を低減できる。加えて電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４、２１４とｐ型クラッド層１０８の界面にｐｎ接合による空乏層が形成されるため、より完全な電流狭窄が行われて閾値電流が低減される。
【００３８】
また、前記実施形態では、ｐ側電極１１２は、リッジ部１０８Ａの側面の全面を覆っていたが、これに限らず、リッジ部１０８Ａの側面の一部を覆うものであってもよい。例えば、リッジ部１０８Ａの頂部およびリッジ部１０８Ａの側面のうち、頂部近傍部分をｐ側電極により覆ってもよい。ｐ電極により、リッジ部の側面の一部を覆うことによっても、リッジ部側面からの電流注入を行なうことができ、動作電圧が低いインナーストライプ型半導体レーザとすることができる。
【００３９】
さらに、前記実施形態では、インナーストライプ型半導体レーザ１，２の基板として、ＧａＮ基板１０１を使用したが、これに限られるものではなく、例えば、ＳｉＣ基板や、サファイア基板等であってもよい。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
図１に示したインナーストライプ型半導体レーザ１を製造した。
基板としてｎ型キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のＧａＮ（０００１）基板を用いた。インナーストライプ型半導体レーザの作製にはＭＯＶＰＥ装置を用いた。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ｎ型ドーパントにシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパントにビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【００４１】
はじめに、各層１０２〜１０７を積層するとともに、低温ＡｌＮ成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。
ｎ型ＧａＮ基板１０１を成長装置に投入後、ＮＨ３を供給しながら基板１０１を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層である活性層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層１０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型ＧａＮガイド層１０７を順次堆積した。
ＧａＮ成長は基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。活性層１０５の成長は、基板温度８５０℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとした。また、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとした。これらの構造を堆積後、引き続いて基板温度を４００℃まで降温し、低温成長ＡｌＮ層（厚さ１００ｎｍ、後に電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層１１４となる）の堆積を行った。
【００４２】
次に、低温成長ＡｌＮ層にストライプ状の開口１１４Ａを形成した（「ストライプ形成工程」）。
まず、低温成長ＡｌＮ層上にＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積し、その表面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンを形成した。次にバッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。
次にＳｉＯ２をマスクとして低温成長ＡｌＮ層のエッチングを行った。エッチング液にはリン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ２マスクでカバーされていない領域のＡｌＮ層は、９０℃に保持した上記溶液中８．５分間のエッチングにより除去され、ストライプ状の開口１１４Ａが得られた。この開口１１４Ａの開口幅Ｗ２は、１．５μｍであった。さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ２を除去した。
【００４３】
以上により得られたストライプ状の開口１１４Ａを有する試料に対し、ｐ型クラッド層１０８の埋め込み成長を行なった。ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、ＧａＮ（厚さ２．５ｎｍ）井戸層とＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ２．５ｎｍ）バリア層を１３０周期成長したｐ型クラッド層１０８を堆積した。
その後、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０２μｍ）からなるコンタクト層１０９を堆積した。以下この工程を「ｐクラッド再成長工程」という。
【００４４】
次にドライエッチングによりリッジ部１０８Ａの形成を行った。以下この工程を「リッジ部形成工程」と呼ぶ。
まず、熱化学気相堆積法を用いて、全面にＳｉＯ２膜を形成し、その表面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅２０μｍのストライプパターンを形成した。次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ２膜をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。さらに、ストライプ上のＳｉＯ２膜をマスクとして、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング法により、p型クラッド層１０８の一部を残すようにエッチングを行った。さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ２膜を除去し、２０μｍ幅（Ｗ１＝２０μｍ）のリッジ部１０８Ａを有す構造を得た。
【００４５】
その後、ｐ側電極１１２およびｎ側電極１１３を真空蒸着法により形成した。この工程を「電極工程」という。電極形成後の試料をストライプに垂直な方向に劈開し、インナーストライプ型半導体レーザ１とした。典型的な素子長は６５０μｍとした。
【００４６】
以上の工程により得られたインナーストライプ型半導体レーザ１をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電圧４．１Ｖでレーザ発振し、素子抵抗は１７Ωであった。
実施例１では、動作電圧の低いインナーストライプ型半導体レーザ１を得ることができた。
実施例１のインナーストライプ型半導体レーザ１では、リッジ部側面からの電流注入により素子抵抗が低減し、動作電圧が低くなったと考えられる。また、実施例１のインナーストライプ型半導体レーザ１の製造の歩留まりは良好であった。
【００４７】
（実施例２）
図３に示したインナーストライプ型半導体レーザ２を製造した。
実施例１と同様の活性層成長工程、ストライプ形成工程、ｐクラッド再成長工程、リッジ部形成工程を実施した。開口１１４Ａの開口幅、リッジ部のリッジ幅は実施例１と同じである。
なお、ストライプ形成工程では、開口１１４Ａを形成するとともに、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４の開口１１４Ａの長手方向と直交する方向の端部を除去した。
これにより、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、活性層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７、電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層２１４、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９を備える試料を得た。
その後、ｐ型コンタクト層１０９上に絶縁層２２０として７０００オングストロームのＳｉＯ２膜をＣＶＤ法により堆積し、フォトリソグラフィーにより、２０μｍ幅のストライプ状の開口を形成した。絶縁層２２０の開口端２２０Ａは、リッジ部１０８Ａの外側にあり、絶縁層２２０は、リッジ部１０８Ａ以外の部分を覆っている。
その後、実施例１と同様の「電極工程」を得て、ｐ側電極１１２およびｎ側電極１１３を形成した。電極形成後の試料をストライプに垂直な方向に劈開し、インナーストライプ型半導体レーザ２を得た。典型的な素子長は６５０μｍとした。
【００４８】
以上の工程により得られたインナーストライプ型半導体レーザ２をヒートシンクに融着し、それぞれの電極をワイヤボンディングして発光特性を調べたところ、電流密度３．０ｋＡ／ｃｍ２、電圧４．０Ｖにてレーザ発振を確認した。
【００４９】
実施例２では、素子面積の９０％以上を厚さ５０００オングストローム以上のＳｉＯ２膜によって覆い、ｐ側電極１１２の幅を開口１１４Ａの幅の１０倍程度に制限した。得られたインナーストライプ型半導体レーザ２は、電流注入効率に優れ、低容量、低電圧動作であり、ワイヤボンディング等による破損の起きにくいものであった。実施例２のインナーストライプ型半導体レーザ２では、リッジ部側面からの電流注入により素子抵抗が低減し、動作電圧が低くなったと考えられる。また、インナーストライプ型半導体レーザ２全体にわたってｐ型クラッド層１０８の平坦な埋め込み成長が可能になり、高い歩留まりを有するインナーストライプ型半導体レーザ２を安定して得ることができた。
【００５０】
（比較例１）
リッジ部を有しないインナーストライプ型半導体レーザを製造した。他の条件は、実施例１と同じである。ｐ側電極の電極幅は２０μｍとした。
このインナーストライプ型半導体レーザをヒートシンクに融着しそれぞれの電極をワイヤボンディングして発光特性を調べたところ、閾値電圧は４．３Ｖであり、素子抵抗は２０Ωであった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるインナーストライプ型半導体レーザを示す断面図である。
【図２】Matthewsらの理論に従って計算されたＧａＮ膜上のＡｌｘＧａ1-ｘＮ膜の組成ｘと、臨界膜厚との関係を示す図（実線は転位の発生する臨界膜厚、破線はクラックが発生する臨界膜厚を示す）である。
【図３】本発明の第二実施形態にかかるインナーストライプ型半導体レーザを示す断面図である。
【図４】従来の半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図５】従来の半導体レーザ素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    インナーストライプ型半導体レーザ
２    インナーストライプ型半導体レーザ
７    半導体レーザ素子
８    半導体レーザ素子
７５    光ガイド層
７７    電流狭窄層
７８    上部クラッド層
７８Ａ    リッジ部
８０    半導体基板
８１    下部クラッド層
８２    光ガイド層
８３    活性層
８４    エレクトロンブロック層
８５    光ガイド層
８６    上部クラッド層
８７    電流狭窄層
８９    コンタクト層
９０    ＳｉＯ２膜
９１    ｐ電極
９２    ｎ電極
１０１    ｎ型ＧａＮ基板
１０２    Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
１０３    ｎ型クラッド層
１０４    ｎ型光閉じ込め層
１０５    活性層
１０６    キャップ層
１０７    ｐ型ＧａＮガイド層
１０８    クラッド層
１０８Ａ    リッジ部
１０９    ｐ型コンタクト層
１１２    ｐ側電極
１１３    ｎ側電極
１１４    電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層
１１４Ａ    開口
２１４    電流狭窄および光閉じ込め機能を有する層
２２０    絶縁層
２２０Ａ    開口端
Ｗ１    リッジ幅
Ｗ２    開口幅
【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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