(57)【要約】【課題】横モードの安定性に優れた酸化物半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】ｎ型Ｓｉ基板１０１上に、ＣａＦ２バッファ層１０２、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８をこの順で積層されている。ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３におけるリッジストライプ１１３直下の部分の膜厚は、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３におけるリッジストライプ１１３直下以外の部分の膜厚に比べて厚い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層を順次積層し、
上記第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記基板は、上記活性層から出射される出射光に対応するバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有し、
上記出射光の層厚方向の光強度分布における上記基板側の裾部を上記基板が吸収するように、上記第１導電型クラッド層の層厚が調整されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型クラッド層は屈折率の異なる２層以上の層で構成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１導電型クラッド層の層厚は０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内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】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第２導電型クラッド層は、ストライプ形状に形成されたストライプ部を含み、
上記第１導電型クラッド層の上記ストライプ部直下の部分と、上記第１導電型クラッド層の上記ストライプ部直下以外の部分とは層厚が異なることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板は、上記ストライプ部直下に当たる表面にストライプ形状の溝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６】
請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板の材料はＳｉまたはＧａＡｓ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に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記基板上に薄膜層を形成する工程と、
上記薄膜層のストライプ形状の一部を除去すると共に、上記基板の上記一部直下の表面にストライプ形状の溝を形成する工程と、
上記一部が除去された上記薄膜層と上記溝との上に、上記第１導電型クラッド層の材料を積層する工程とを備え、
上記基板上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度に比べて、上記薄膜層上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度の方が遅くなるように、上記基板および上記薄膜層の材料を選択することを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法において、
上記基板に対するＺｎＯ系半導体の付着係数に比べて、上記薄膜層に対するＺｎＯ系半導体の付着係数の方が小さくなるように、上記基板および上記薄膜層の材料を選択することを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の酸化物半導体発光素子の製造方法において、
上記薄膜層は、上記基板の表面を熱酸化またはラジカル酸化で形成することを特徴とする酸化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度な光ディスク記録システムのレーザ光源として利用すべく、３〜３．５ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。
【０００３】
特に、ＩＩＩ族窒化物半導体の技術進展は目ざましく、光学特性や信頼性は既に実用化の域に達している。
【０００４】
一方、酸化物半導体についても現在研究が進みつつあり、特にＺｎＯ（酸化亜鉛）は励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた半導体レーザ素子を実現出来る可能性がある。
【０００５】
以下、ＺｎＯと、これを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶とを含めて「ＺｎＯ系半導体」と言う。
【０００６】
従来、ＺｎＯ系半導体レーザ素子としては、国際公開第００／１６４１１号パンフレット（特許文献１）に開示された構造のものがある。
【０００７】
上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子は、図５に示すように、サファイア基板５０１上に、ＺｎＯバッファ層５０２、ｎ型ＺｎＯコンタクト層５０３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０４、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層５１４、活性層５１５、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層５１６およびｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０６が順次積層されている。
【０００８】
上記ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０６上には、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５０７が形成されている。このｐ型ＺｎＯコンタクト層５０７は、ストライプ形状の溝５１８を有するｎ型ＭｇＺｎＯ電流制限層５１７をｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０６上に形成した後に成長している。これにより、上記溝５１８は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層５０７の一部により埋められている。
【０００９】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層５０７上には、ｐ型電極５１０を形成する一方、ｎ型ＺｎＯコンタクト層５０３において露出した表面上には、ｎ型電極５０９を形成している。
【００１０】
上記従来のＺｎＯ系半導体レーザ素子で用いられているサファイア基板は、低コストで高品質な基板であり、また結晶性に優れたＺｎＯエピタキシャル層が得られる一方、絶縁性基板であるため基板裏面に電極を形成することが出来ない。このため、基板とクラッド層の間にコンタクト層を形成し、コンタクト層の一部を露出させ、この露出したコンタクト層上に電極を形成する必要がある。電流はコンタクト層を横方向（基板とコンタクト層との接合面に対して平行方向）に流れるため、低抵抗化のためにはコンタクト層を厚く積層することが有効である。
【００１１】
【特許文献１】
国際公開第００／１６４１１号パンフレット
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来のＺｎＯ系半導体レーザ素子では、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０４よりｎ型ＺｎＯコンタクト層５０３が高屈折率であり、更にサファイア基板５０１がレーザ光に対して透明であるため、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層５０４からしみ出した光が厚いｎ型ＺｎＯコンタクト層５０３を導波する多モード発振となり易いという問題がある。
【００１３】
このような放射特性は、基本モードからの放射角のずれおよび導波損失の増大を生じ、半導体レーザ素子の特性を著しく阻害する。なお、上記問題は、サファイア基板５０１の代わりにＺｎＯ基板を用いた場合にも同様に生じる。
【００１４】
上記問題を解決するには、活性層５１５への光閉じ込めを強くして光のしみ出しを抑える必要があるが、光ディスクに用いれられる半導体レーザ素子は、光ディスクの高密度化に伴って放射角を狭くすることが求められており、そのためには逆にレーザ素子内で光を十分に広げなければならない。更に、垂直横モードのみならず、接合方向に平行な水平横モードについても単一モードが安定して得られることが望まれている。
【００１５】
すなわち、光ディスク用半導体レーザ素子に求められる高機能化と横モードの安定化を両立することはこれまで困難であった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、横モードの安定性に優れた酸化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、酸化物半導体発光素子の横モードを安定化させる手段について鋭意検討した結果、レーザ光分布の裾を基板が吸収するような素子構造を実現することで上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１８】
第１の発明の酸化物半導体発光素子は、
基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層を順次積層し、
上記第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、活性層、第２導電型光ガイド層、第２導電型クラッド層および第２導電型コンタクト層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記基板は、上記活性層から出射される出射光に対応するバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有し、
上記出射光の層厚方向の光強度分布における上記基板側の裾部を上記基板が吸収するように、上記第１導電型クラッド層の層厚が調整されていることを特徴としている。
【００１９】
ここで、「少なくとも」と言う文言は、基板と第１導電型クラッド層との間にバッファ層などを設けてもよいということを意味している。
【００２０】
本明細書において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００２１】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１導電型クラッド層の層厚を調整することにより、出射光の層厚方向の光強度分布における基板側の裾部を基板が吸収するようにしている。その結果、垂直横モードが安定化し、放射角の制御性が向上する。
【００２２】
また、上記基板が吸収するのは光分布の裾であるので、損失の増大が抑制されて、動作電流の上昇が阻止される。
【００２３】
したがって、垂直横モードの安定性と省電力性に優れた酸化物半導体レーザ素子を実現出来る。
【００２４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層は屈折率の異なる２層以上の層で構成されている。
【００２５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１導電型クラッド層を屈折率の異なる２層以上の層で構成するので、活性層から基板方向へしみ出す光を細かく制御することが出来る。すなわち、上記基板による光吸収量などを微細に制御することが出来る。
【００２６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１導電型クラッド層の層厚は０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内である。
【００２７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１導電型クラッド層の層厚は０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内であれば、上記裾部のみを確実に基板で吸収することが出来る。
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第２導電型クラッド層は、ストライプ形状に形成されたストライプ部を含み、上記第１導電型クラッド層の上記ストライプ部直下の部分と、上記第１導電型クラッド層の上記ストライプ部直下以外の部分とは層厚が異なる。
【００２９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１導電型クラッド層において、ストライプ部直下に位置する部分の層厚は、ストライプ部直下以外に位置する部分の層厚と異なっている。例えば、上記第１導電型クラッド層のストライプ部直下の部分は、第１導電型クラッド層のストライプ部直下以外の部分よりも層厚が厚い。これにより、上記基板において、ストライプ部直下に位置する部分の光吸収量と、ストライプ部直下以外に位置する部分の光吸収量とに差異が生じる。したがって、作り付けの横方向損失分布を大きくすることが出来る。つまり、上記ストライプ部直下に位置する部分と、ストライプ部直下以外に位置する部分との実効屈折率差を大きくすることが出来る。
【００３０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板は、上記ストライプ部直下に当たる表面にストライプ形状の溝を有する。
【００３１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記溝を第１導電型クラッド層で埋めることにより、第１導電型クラッド層のストライプ部直下の部分の層厚より、第１導電型クラッド層の上記ストライプ部直下以外の部分の層厚を容易に薄く出来る。
【００３２】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板の材料はＳｉまたはＧａＡｓである。
【００３３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板は高品質な汎用基板であると共に加工性に優れる。したがって、上記基板の表面に、例えば、ストライプ形状の溝を容易に形成出来る。
【００３４】
また、上記Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板は導電性基板であるので、電極を基板に直接設けることが出来る。したがって、動作電圧低減とプロセス簡便性とを実現出来る。
【００３５】
第２の発明の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記第１の発明の酸化物半導体発光素子の製造方法であって、上記基板上に薄膜層を形成する工程と、上記薄膜層のストライプ形状の一部を除去すると共に、上記基板の上記一部直下の表面にストライプ形状の溝を形成する工程と、上記一部が除去された上記薄膜層と上記溝との上に、上記第１導電型クラッド層の材料を積層する工程とを備え、上記基板上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度に比べて、上記薄膜層上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度の方が遅くなるように、上記基板および上記薄膜層の材料を選択することを特徴としている。
【００３６】
上記構成の酸化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記基板上に薄膜層を形成した後、薄膜層のストライプ形状の一部を除去すると共に、上記基板の上記一部直下の表面にストライプ形状の溝を形成する。そして、上記一部が除去された薄膜層と溝との上に、第１導電型クラッド層の材料を積層する。このとき、上記基板上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度に比べて、薄膜層上におけるＺｎＯ系半導体の成長速度の方が遅くなるので、溝上に形成される結晶の成長速度に比べて、薄膜層上に形成される結晶の成長速度が遅くなる。その結果、上記第１導電型クラッド層の形成後において、溝上の第１導電型クラッド層の表面と、薄膜層上の第１導電型クラッド層の表面とを略同じ高さに出来る。つまり、上記第１導電型クラッド層の表面（活性層側の表面）に段差が生じることなく、その表面が平坦化する。したがって、上記第１導電型クラッド層の表面を平坦化するための工程を行わなくてもよいので、製造工程を簡略化することが出来る。
【００３７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記基板に対するＺｎＯ系半導体の付着係数に比べて、上記薄膜層に対するＺｎＯ系半導体の付着係数の方が小さくなるように、上記基板および上記薄膜層の材料を選択する。
【００３８】
上記酸化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記基板に対するＺｎＯ系半導体の付着係数に比べて、薄膜層に対するＺｎＯ系半導体の付着係数の方が小さくなるように、基板および薄膜層の材料を選択するから、第１導電型クラッド層の材料を積層するだけで、第１導電型クラッド層の表面を平坦化できる。
【００３９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法は、上記薄膜層は、上記基板の表面を熱酸化またはラジカル酸化で形成する。
【００４０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子の製造方法によれば、熱酸化による酸化膜形成は簡便かつ清浄で高品質な薄膜が得られる。また、例えばラジカル源などによって発生させた活性酸素を基板上に照射するラジカル酸化では、界面欠陥が少なく薄い酸化酸化物薄膜層を形成することが出来る。したがって、上記基板の表面を熱酸化またはラジカル酸化して酸化物薄膜層を形成するから、高品質な酸化物薄膜層を容易に形成することが出来る。
【００４１】
また、上記酸化物薄膜層の結晶性が向上するので、酸化物薄膜層上に形成する層の酸化物半導体層の結晶品質を向上させることが出来る。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４３】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の酸化物半導体発光素子をＺｎＯ系半導体レーザ素子に適用した例について説明する。
【００４４】
図１に、本発明の実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図を示す。
【００４５】
上記半導体レーザ素子は、（１１１）を主面としたｎ型Ｓｉ基板１０１上に、厚さ５ｎｍのＣａＦ２バッファ層１０２、Ｇａ（ガリウム）ドーピング濃度が３×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．５μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３、Ｇａドーピング濃度が５×１０１７ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４、ノンドープ量子井戸活性層１０５、Ｎ（窒素）ドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ１０ｎｍのｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．２μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８がこの順で積層されている。
【００４６】
本実施形態１では、ｎ型Ｓｉ基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３が第１導電型クラッド層の一例に、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４が第１導電型光ガイド層の一例に、量子井戸活性層１０５が活性層の一例に、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６が第２導電型光ガイド層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【００４７】
上記量子井戸活性層１０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層とを交互に積層して構成している。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．１Ｚｎ０．９Ｏ井戸層は３層ある。
【００４８】
上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７の上部と、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８とは、ストライプ部の一例としてのリッジストライプ１１３を構成している。このリッジストライプ１１３は、エッチング加工によって幅１．５μｍのリッジストライプ形状になっている。そして、上記リッジストライプ１１３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１０９で埋め込まれている。すなわち、上記リッジストライプ１１３の両側にはｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９を設けている。
【００４９】
上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の裏面下にはｎ型オーミック電極１１０が形成される一方、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８上にはｐ型オーミック電極１１１が形成されている。
【００５０】
また、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面には、ストライプ形状の溝１１２を深さ１μｍで形成している。この溝１１２の幅は、最上部（上記表面側の部分）で３μｍであり、溝底に向って徐々に狭くなっている。また、上記溝１１２は、リッジストライプ１１３真下に位置している。すなわち、上記リッジストライプ１１３は、ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２の真上に位置するように形成されている。また、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２は、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３の一部で埋めている。これにより、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３の一部はリッジストライプ形状を有する。
【００５１】
なお、上記ＣａＦ２バッファ層１０２は、ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面において溝１１２が形成されている領域以外の領域上のみに形成されている。つまり、上記溝１１２内にはＣａＦ２バッファ層１０２を配置していない。
【００５２】
上記構成のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来るが、本実施形態１では図２に示すレーザＭＢＥ装置を用いたレーザＭＢＥ法によって作製した。
【００５３】
上記レーザ分子線エピタキシ装置は超高真空に排気可能な成長室１００１を備えている。この成長室１００１内の上部には基板ホルダー１００２が配置され、この基板ホルダ１００２が基板１００３を保持している。さらに、上記基板ホルダ１００２の上方には、基板ホルダ１００２の裏面（基板１００３とは反対側の表面）を加熱するヒータ１００４を配置している。一方、上記基板ホルダ１００２の直下には、基板ホルダ１００２と適当な距離を置いてターゲットテーブル１００５を配置している。このターゲットテーブル１００５は、複数の原料ターゲット１００６を搭載出来る。この原料ターゲット１００６に照射するパルスレーザ光１００８が通過するビューポート１００７が、成長室１００１の一方の側壁に設けられている。そして、上記成長室１００１の他方の側壁には、ガス導入管１０１３に接続されたラジカルセル１００９と、遮蔽マスク１０１１を駆動する駆動部１０１２とを設けている。上記遮蔽マスク１０１１は、基板１００３とターゲットテーブル１００５との間に位置し、基板１００３の所定の領域を覆うことができる。また、上記成長室１００１の他方の側壁を複数のガス導入管１０１０（図２では１つのみ図示している）が貫通していて、このガス導入管１０１０を通して成長室１００１内にガスが導入される。なお、図示しないが、上記ターゲットテーブル１００５は回転機構を有している。
【００５４】
上記構成のレーザＭＢＥ装置が結晶成長を行う場合は、まず、上記基板ホルダ１００２の裏面をヒータ１００４で加熱する。これにより、上記基板ホルダ１００２の熱が基板１００３に伝わり、基板１００３が加熱される。
【００５５】
次に、上記ビューポート１００７を通してパルスレーザ光１００８を原料ターゲット１００６に照射する。すると、上記原料ターゲッ１００６の原料が瞬時に蒸発して基板１００３上に堆積する。この結果、上記基板１００３上にその原料から成る薄膜が成長する。
【００５６】
上記レーザＭＢＥ装置による結晶成長時において、ターゲットテーブル１００５を回転機構で回転すると共に、パルスレーザ光１００８の照射シーケンスに同期してその回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１００６の原料を基板１００３上に積層することが可能である。
【００５７】
また、上記ラジカルセル１００９によって活性化された原子状ビームを基板１００３に照射することも可能である。
【００５８】
また、上記レーザＭＢＥ装置による結晶成長は、原料ターゲット１００６の組成と、基板１００３上に得られる薄膜の組成とのずれが小さく、また、ＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることが出来るので好ましい。
【００５９】
以下、上記ＺｎＯ系半導体レーザ素子について説明する。
【００６０】
まず、上記レーザＭＢＥ装置に、洗浄処理したｎ型Ｓｉ基板を導入する。そして、上記ｎ型Ｓｉ基板を温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【００６１】
次に、基板温度を５００℃に降温し、パルスレーザ光１００８を原料ターゲット１００６に向けて照射して、原料ターゲット１００６をレーザアブレーションする。これにより、上記ｎ型Ｓｉ基板の全表面上に、ＣａＦ２バッファ層１０２を形成するためのＣａＦ２層を形成する。このとき、上記原料ターゲット１００６としてＣａＦ２単結晶を用いると共に、パルスレーザ光１００８としてＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ、パルス数：１０Ｈｚ、出力１Ｊ／ｃｍ２）を用いる。
【００６２】
次に、上記ｎ型Ｓｉ基板をレーザＭＢＥ装置から取り出し、ＣａＦ２層の一部を覆うレジストマスクを形成し、希釈したフッ硝酸水溶液を用いてＣａＦ２層およびｎ型Ｓｉ基板の一部をエッチングする。そうすると、上記ＣａＦ２バッファ層１０２と、深さ１μｍのストライプ形状の溝１１２を表面に有するｎ型Ｓｉ基板１０１とが形成される。その後、上記ＣａＦ２バッファ層１０２上のレジストマスクを除去する。なお、上記溝１１２を形成するためのエッチングはドライエッチングで行ってもよい。
【００６３】
次に、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１を再度レーザＭＢＥ装置に導入し、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、Ｇａ２Ｏ３を添加したＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを、所望のＭｇ組成，Ｇａドーピング濃度が得られる比率で交互にレーザアブレーションして、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３を成長する。このとき、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２の底面であるＳｉ（１１１）面が露出しているため、このＳｉ（１１１）面上では（０００１）面を主面とするｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３が１．５μｍ成長する。一方、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面における溝１１２の外部は、ＣａＦ２バッファ層１０２で覆われているので、ＭｇＺｎＯの付着係数が溝１１２の内部に比べて小さい。このため、上記溝１１２外部のｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３は、溝１１２内部のｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３に比べて成長速度が遅くなる。その結果、上記溝１１２内部のｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３が１．５μｍ成長する間に、溝１１２外部のｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３は０．５μｍしか成長しないので、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３成長表面は段差を生じずに平坦化する。すなわち、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３の表面（ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４を成長すべき表面）は平坦になる。
【００６４】
また、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３の形成時、回転機構によるターゲットテーブル１００５の駆動周期と、ＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期とを外部制御装置（図示しない）によって同期させる。
【００６５】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、Ｇａ２Ｏ３を添加したＺｎＯ焼結体を原料ターゲット１００６とを、所望のＧａドーピング濃度が得られる比率で交互にレーザアブレーションして、ｎ型ＺｎＯ光ガイド層１０４を成長する。
【００６６】
次に、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、ＣｄＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを、所望のＣｄ組成比が得られる比率で交互にレーザアブレーションする。これにより、ＺｎＯ障壁層とＣｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ井戸層とより成る量子井戸活性層１０５が成長する。
【００６７】
次に、上記ガス導入管１０１３より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１００６としてレーザアブレーションして、ｐ型ＺｎＯ光ガイド層１０６を成長させる。
【００６８】
次に、上記ガス導入管１０１３より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶から成る原料ターゲット１００６と、ノンドープＭｇＺｎＯ焼結体から成る原料ターゲット１００６とを、所望のＭｇ組成が得られる比率で交互にレーザアブレーションする。これにより、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７を形成するためのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層が得られる。
【００６９】
次に、上記ガス導入管１０１３より導入したＮ２ガスをラジカルセル１００９でプラズマ化して照射しながら、ノンドープＺｎＯ単結晶を原料ターゲット１００６としてレーザアブレーションする。これにより、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を形成するためのｐ型ＺｎＯ層が得られる。
【００７０】
次に、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、ストライプ形状のレジストマスクをそのｐ型ＺｎＯ層上に形成した後、１重量％の硝酸水溶液を用いてｐ型ＺｎＯ層およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ層の一部をエッチングする。これにより、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０７が得られる。
【００７１】
上記エッチングを制御性良く行うために、ＢｅＺｎＯ層などを用いてエッチングストップ層を形成してもよい。
【００７２】
次に、上記レジストマスクを洗浄除去した後、ｎ型Ｓｉ基板１０１を再度レーザＭＢＥ装置に導入して、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層１０３と同様の交互アブレーション手法で、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９を形成するためのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層を成長させる。
【００７３】
次に、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１をレーザＭＢＥ装置から取り出し、リッジストライプ上に堆積したｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層をエッチング除去して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８を露出させると、リッジストライプ１１３の両側にｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９が得られる。
【００７４】
電流ブロック層のＭｇ組成は、実屈折率型の導波機構を実現し光吸収を生じないためにクラッド層のＭｇ組成より高く、且つ、結晶性の悪化を生じないよう０．５以下であることが好ましい。
【００７５】
次に、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０８およびｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ電流ブロック層１０９の全表面上に、Ｎｉから成るｐ型オーミック電極１１１を真空蒸着で形成する。
【００７６】
次に、上記ｎ型Ｓｉ基板１０１の裏面下に、Ａｌから成るｎ型オーミック電極１１０を真空蒸着で形成する。
【００７７】
最後に、上記リッジストライプ１１３の延びる方向に対して垂直なミラー端面に保護膜を真空蒸着した後、３００μｍに素子分離すると、図１に示すＺｎＯ系半導体レーザ素子が得られる。
【００７８】
上記半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流は３５ｍＡ、光出力５ｍＷでの動作電圧は４Ｖであった。また、上記半導体レーザ素子における層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、図３に実線で示した単峰性の放射パターンを示し、放射角は２０°であった。また、上記半導体レーザ素子の水平方向方向遠視野像についても同様の単峰性の放射パターンを示した。
【００７９】
比較例１として、ｎ型ＺｎＯ基板１０１の代わりに表面が平坦なサファイア基板を用い、ＣａＦ２バッファ層１０２は形成せず、サファイア基板とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３との間にｎ型ＺｎＯコンタクト層を形成し、露出させたｎ型ＺｎＯコンタクト層の一部上にｎ型オーミック電極を形成する他は、本実施形態１と同様に半導体レーザ素子を作製した。したがって、上記比較例１の半導体レーザ素子は、図５の従来の半導体レーザ素子と同様の構造を有する。この比較例１の半導体レーザ素子は、本実施形態１と同様に端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られたが、層厚方向遠視野像の測定を行ったところ、図３に破線で示したような、多峰性の弱い放射パターンを示した。
【００８０】
比較例２として、ｎ型Ｓｉ基板１０１の表面にストライプ形状の溝１１２を設けず、ＣａＦ２バッファ層１０２を用いない他は、本実施形態１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。この比較例２の半導体レーザ素子は、本実施形態１と同様に端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られたが、水平方向遠視野像の測定を行ったところ、比較例１の層厚方向遠視野像と同様に多峰性の弱い放射パターンを示し、単峰性のピークは得られなかった。
【００８１】
比較例１および比較例２のような異常な放射パターンの半導体レーザ素子では、青色発光波長に対応したＤＶＤ（デジタル万能ディスク）などの高密度光ディスクシテムにおいて、信号記録および再生が正常に行うことが出来ない。
【００８２】
以上のような結果が得られた理由は、比較例１の半導体レーザ素子が、ｎ型クラッド層からしみ出した光が屈折率の高いｎ型ＺｎＯコンタクト層を導波する多モード発振となったのに対し、本実施形態１の半導体レーザ素子は、ｎ型Ｓｉ基板１０１がレーザ光の下裾を吸収したため垂直横モードが安定化したと考えられる。
【００８３】
また、比較例２の半導体レーザ素子が、活性層における横方向実効屈折率差が弱く、水平横モードが安定な単一モードとなりにくいのに対し、本実施形態１の半導体レーザ素子はｎ型Ｓｉ基板１０１のストライプ形状の溝１１２によって溝１１２内外でｎ型クラッド層厚が異なっているため、溝１１２内よりｎ型Ｓｉ基板１０１での光吸収量が多くなり、溝１１２内外の横方向実効屈折率差が大きくなって水平横モードが安定化したと考えられる。
【００８４】
ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏクラッド層はあまり薄いとＳｉ基板での光吸収が大きくなって動作電流が増大し、一方あまり厚いと溝内外での屈折率差が付きにくく、また成長層の結晶性も悪化しやすい。したがって、上記ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３は、溝１１２内外共に０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内で調整されることが好ましい。
【００８５】
上記ＣａＦ２バッファ層１０２はＺｎＯの付着係数を低減させて成長速度を遅くさせる働きを有する。このような性質を有するバッファ層材料としては、ＺｎＯ系半導体との親和性があまり高くない材料が好ましいが、あまり親和性に乏しいと膜形成が行われなかったり、溝の外に積層されるＺｎＯ系半導体の結晶性が極端に悪化する。具体的にはＩＩ族元素を含まない酸化物の他、窒化物や本実施形態１で用いたフッ化物を用いることが出来る。
【００８６】
なお、ＺｎＯ系半導体は配向性の高い結晶材料であるので、バッファ層材料の結晶性質にかかわらず単結晶が成長する。また、溝の外は電流が流れないため、結晶粒界などを含んでいても、本発明の半導体レーザ素子の特性に影響は無い。
【００８７】
上記実施形態１では、ｎ型Ｓｉ基板１０１を用いていたが、本発明に用いる基板はＳｉ基板に限定されない。本発明で用いる基板は、活性層が出射するレーザ光に対応するバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有するものであればよい。
【００８８】
（実施形態２）
本実施形態２のＺｎＯ系半導体レーザ素子は、ＣａＦ２バッファ層１０２に代えてＳｉＯ２バッファ層を用いた他は、上記実施形態１と同様に作製している。なお、上記ＳｉＯ２バッファ層の形成は、洗浄したｎ型Ｓｉ基板１０１をＯ２ガス中で１０００℃に加熱することにより行う。
【００８９】
本実施形態２の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流は３０ｍＡ、光出力５ｍＷでの動作電圧は３．８Ｖであった。また、上記半導体レーザ素子における層厚方向遠視野像および水平方向遠視野像は、いずれも単峰性の放射パターンを示した。
【００９０】
本実施形態２においては、ＳｉＯ２バッファ層は熱酸化ＳｉＯ２で形成するので、上記実施形態１のＣａＦ２バッファ層１０２に場合に比べ、より緻密で清浄性の高いバッファ層となっている。このため、上記ＳｉＯ２バッファ層上に積層するＺｎＯ系半導体の結晶性が向上し、発振閾値電流および動作電圧が低減した。
【００９１】
このような清浄な酸化物薄膜層（ＳｉＯ２バッファ層）は、Ｓｉ基板を熱酸化するこにより容易に形成することが出来る。Ｓｉの熱酸化には、一般には純水をＯ２ガスでバブリングする手法が用いられるが、乾燥したＯ２ガスを用いた方がＳｉＯ２中の欠陥が少なく、薄いＳｉＯ２膜を形成出来るので好ましく、ラジカル源などによって発生させた活性酸素を基板上に照射するラジカル酸化であれば更に好ましい。
【００９２】
なお、基板としてＧａＡｓ基板を用いる場合は、熱酸化を行うことにより基板表面にＧａ２Ｏ３層が形成されるので、このＧａ２Ｏ３層をバッファ層として用いることにより、本実施形態２と同様の効果を奏することが出来る。
【００９３】
（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図を示す。また、図４において、図１に示した上記実施形態１の構成部と同一構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【００９４】
上記半導体レーザ素子は、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１０３の代わりに、第１導電型クラッド層の一例としてのｎ型クラッド層３０３を用いた他は、上記実施形態１と同様に作製している。
【００９５】
上記ｎ型クラッド層３０３は、Ｍｇ０．０８Ｚｎ０．８２Ｏから成るｎ型第１クラッド層３０３ａと、Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏから成るｎ型第２クラッド層３０３ｂで構成している。
【００９６】
上記ｎ型第１クラッド層３０３ａは、溝１１２上において１．４μｍの厚みを有し、ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２以外の表面上において０．４μｍの厚みを有する。一方、上記ｎ型第２クラッド層３０３ｂは、溝１１２上、および、ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２以外の表面上においても、０．１μｍの厚みを有している。つまり、上記ｎ型第２クラッド層３０３ｂの厚みは一定で０．１μｍとなっている。
【００９７】
本実施形態３の半導体レーザ素子に電流を流したところ、端面から波長４１０ｎｍの青色発振光が得られ、発振閾値電流は実施形態と同じ３５ｍＡであった。また、上記半導体レーザ素子における厚方向遠視野像の測定を行ったところ、放射角は１６°となり、上記実施形態１よりも狭い放射角を制御出来た。
【００９８】
このように、上記ｎ型クラッド層３０３を屈折率の異なる複数の層で構成することにより、基板方向への光のしみ出しを細かく制御することが出来、光吸収量などを微細に制御することが出来る。
【００９９】
なお、上記ｎ型クラッド層３０３のように、屈折率の異なる複数の層から成るクラッド層においても、そのクラッド層の合計層厚は溝１１２内外共に０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内で調整されることが好ましい。つまり、上記クラッド層の膜は、溝１１２上、および、ｎ型Ｓｉ基板１０１の溝１１２以外の表面上においても、０．５μｍ〜２．５μｍの範囲内であるのが好ましい。
【０１００】
上記実施形態１〜３から明かなように、本発明を酸化物半導体レーザ素子に用いることによって、単一横モードの安定性に優れた酸化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０１】
また、上記実施形態１〜３では、基板上に、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層をこの順で積層していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、ｐ型光ガイド層、活性層、ｎ型光ガイド層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層をこの順で積層してもよい。
【０１０２】
また、基板の表面に形成するストライプ形状の溝は、ストライプ幅が最上部と最下部で同じであってもよく、最下部が最上部より広くなっていてもよい。そして、このようなストライプ形状の溝を一部が満たすクラッド層を形成してもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第１の発明の酸化物半導体発光素子は、第１導電型クラッド層の層厚が調整されていることによって、出射光の層厚方向の光強度分布における基板側の裾部を基板が吸収するので、垂直横モードを安定化出来ると共に、放射角の制御性を向上出来る。
【０１０４】
また、上記基板が吸収するのは光分布の裾であるので、損失の増大が抑制されて、動作電流の上昇が阻止されて、省電力性を向上出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２】図２は上記実施形態１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の製造に用いるレーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図３】図３は上記実施形態１および比較例１のＺｎＯ系半導体レーザ素子の層厚方向における遠視野像放射パターンを示す図である。
遠視野角と遠視野強度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は本発明の実施形態３のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図５】図５は従来のＺｎＯ系半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１０１  ｎ型Ｓｉ基板
１０３  ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層
１０４  ｎ型ＺｎＯ光ガイド層
１０５  量子井戸活性層
１０６  ｐ型ＺｎＯ光ガイド層
１０７  ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層
１０８  ｐ型ＺｎＯコンタクト層
３０３  ｎ型クラッド層
【図１】
2005026459.tif 000003
【図２】
2005026459.tif 000004
【図３】
2005026459.tif 000005
【図４】
2005026459.tif 000006
【図５】
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