(57)【要約】  【課題】  本発明は、高出力動作においても安定して動作し、ＣＯＤの発生を抑制し、端面の変質等の端面劣化を生じず、同時に、良好な光出力特性を有する窒化物半導体レーザ装置を提案することを目的とする。  【解決手段】  本発明の窒化物半導体レーザ装置は、基板と当該基板の表面上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記基板が窒化物半導体基板であるとともに、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面に絶縁体から成る保護膜が形成され、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の少なくとも一方は電流が流れない電流非注入領域を備え、前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の２０％以下、または２００μｍ以下であることを特徴とする。このことにより、前記端面での熱的、光学的な損傷を抑制し、高出力動作においても安定して動作し、ＣＯＤを起さず、前記端面の変質等の端面劣化を生じない前記窒化膜半導体レーザ素子を実現することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と当該基板の表面上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた窒化物半導体レーザ素子において、
前記基板が窒化物半導体基板であるとともに、
前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面に絶縁体から成る保護膜が形成され、
前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の少なくとも一方は電流が流れない電流非注入領域を備え、
前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の２０％以下、または２００μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記電流非注入領域の長さの合計が５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体積層部に形成される発光部分となるレーザストライプの端面近傍に電極のない領域を備えることにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間に絶縁層を挿入することにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層に高抵抗化した領域を備えることにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間をショットキー接触させることにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザやＬＥＤ（発光ダイオード）等の短波長の発光素子材料として、ＧａＮなどの窒化物系半導体材料の研究、開発が行なわれている。ＧａＮ系半導体レーザはＩｎＧａＮを活性層とする構造で、すでに実用化されているが、光ディスク装置の書き込み、書き換え用途としては、現在、出力が不足している。さらに、光ディスクの書き込み、書き換えの倍速化にともない、今後ＧａＮ系半導体レーザの高出力化技術は、いっそう重要となる。
【０００３】
半導体レーザの高出力化にあたっては、光学損傷（Catastrophic Optical Damage；ＣＯＤ）による端面劣化が問題となる。ＣＯＤは端面付近での界面準位、光吸収による発熱等に起因して、端面近傍が異常な高温となり端面が溶解するなどして、発振停止もしくは発振不可能となる現象である。従来技術として、ｐ側コンタクト層とｐ側電極との間に絶縁層又は高抵抗層を備え、電流不注入領域とすることでＣＯＤを防止する半導体レーザ装置が提案されている（特許文献１参照）。また、ｐ側コンタクト層とショットキー接触するｐ側ショットキー電極を備え、電流不注入領域とすることでＣＯＤを防止する半導体レーザ装置が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−４３６９２号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、窒化物半導体レーザは、比較的端面劣化は生じにくいと考えられている。しかし、光ディスクの倍速、４倍速書き込みといった用途に使用するための出力１００ｍＷを超える高出力レーザにおいては、ＣＯＤの発生が危惧されている。更に、窒化物半導体レーザにおいては、低出力動作においても、大気雰囲気中で使用した場合、ＣＯＤが生じないまでも、その端面が変質する等の問題が生じる。端面の変質は酸化や端面に付着したシリコン化合物の影響による劣化であり、窒化物半導体レーザ素子を作製するときに、キャップをする、また、窒素封入でキャップをするなどの対策を行うことで、ある程度は防止することができる。しかし、半導体レーザの使用用途によっては、キャップをすることができない場合もあり、レーザ素子自体の改善による解決が求められている。
【０００５】
従来、窒化物半導体レーザ素子を作製するとき、窒化物半導体積層部を形成する基板として、通常、サファイア基板が用いられている。しかし、サファイア基板はＧａＮなどを材料とする窒化物半導体基板と比較すると、ＧａＮが１３０Ｗ／ｍＫに対して、サファイアは４２Ｗ／ｍＫと、熱伝導率が悪い。このため、サファイア基板を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製する際、ＣＯＤを抑制するために、上述の特許文献に開示されている技術を用いると、電流非注入領域の幅を大きくする必要がある。しかし、レーザストライプの共振器方向の長さである共振器長に対して、電流非注入領域の幅を大きくすると、窒化物半導体レーザ素子の特性が劣化する。
【０００６】
図９に示すのは、共振器方向のレーザストライプの長さである共振器長を６００μｍとし、電流非注入領域の合計した幅を２００μｍとしたときの窒化物半導体レーザ素子の光出力−電流特性である。この素子の特性は、レーザ発振してからグラフの線形性が明確でなく、スロープ効率が減少傾向にあり、電流値を大きくしても光出力は飽和しつつあるなど、異常がみられる。これは、電流非注入領域の幅が大きく、光出力の立ち上がり時に電流非注入領域で光吸収が多いためである。このように、ＣＯＤを抑制するために、むやみに電流非注入領域の幅を大きくすると、窒化物半導体レーザ素子の特性が劣化する。よって、上述の特許文献による窒化物半導体レーザ素子の光出力特性が劣化してしまう。
【０００７】
このような問題を鑑みて、本発明は高出力動作時においても安定に動作し、ＣＯＤの発生を抑制し、端面の変質等の端面劣化を生じず、同時に、良好な光出力特性を有する窒化物半導体レーザ素子を備えた窒化物半導体レーザ装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の窒化物半導体レーザ装置は、基板と当該基板の表面上に複数の窒化物半導体層が積層されてなる窒化物半導体積層部を備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記基板が窒化物半導体基板であるとともに、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面に絶縁体から成る保護膜が形成され、前記窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の少なくとも一方は電流が流れない電流非注入領域を備え、前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の２０％以下、または２００μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によると、サファイアよりも熱伝導率の高いＧａＮなどの前記窒化物半導体基板を使用することにより、前記窒化物半導体積層部で発生した熱の放熱性が向上する。よって、前記電流非注入領域の幅を小さく抑えることができ、前記窒化物半導体レーザ素子の光出力特性の劣化を防止できる。尚、前記基板に用いる前記窒化物半導体はＧａＮに限定されるものではなく、０≦ｘ≦０．２５の範囲で均一なＡｌ組成を有するＡｌxＧａ1-xＮ基板を用いても構わない。当該基板を用いることで、熱伝導率はＧａＮ基板を用いた場合よりもさらに大きくなり、放熱性が改善するとともに、前記基板上に成長する前記窒化物半導体層との格子整合性もよくなり、素子特性も向上する。
【００１０】
更に、このような構成によると、前記端面にコーティング保護膜を形成することにより、前記端面の変質を防止する。前記端面が変質すると、前記窒化物半導体レーザ素子のスロープ効率が低下するなどの影響が生じて、素子の信頼性が十分得られず、安定した高出力動作を行うことが困難となる。尚、前記コーティング保護膜は、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＬｉＦ、ＬａＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＡｌＮなどの絶縁材料により構成されるものとしても構わない。又、前記コーティング保護膜が、波長４００ｎｍの光における消衰係数が１０-4以下の絶縁材料により構成されるものとしても構わない。
【００１１】
また、このような構成によると、前記電流非注入領域の長さの合計が、共振器全長の２０％以下、または２００μｍ以下とすることで、前記窒化物半導体レーザ素子の光出力特性の劣化を抑制できる。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域の長さの合計が５μｍ以上であることを特徴とする。前記電流非注入領域から端面へのキャリアの拡散および熱の伝導を考慮すると、前記電流非注入領域の長さの合計が５μｍ以上であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体積層部に形成される発光部分となるレーザストライプの端面近傍に電極のない領域を備えることにより形成されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間に絶縁層を挿入することにより形成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層に高抵抗化した領域を備えることにより形成されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置において、前記電流非注入領域は、前記窒化物半導体層と前記電極間をショットキー接触させることにより形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、放熱性が良好な窒化物半導体基板を用い、端面に絶縁体による保護層を形成し、かつ、導波路端面の少なくとも一方に電流非注入領域を形成することで、端面での熱的、光学的な損傷を抑制し、高出力動作においても安定して動作し、ＣＯＤを起さず、端面の変質等の端面劣化を生じない窒化膜半導体レーザ素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体成長層の構造を示す概略構成図である。
【００１９】
図１に示すように、窒化物半導体成長層１１６は、ｎ型ＧａＮを材料とする窒化物半導体基板１０１の表面に、層厚３μｍのｎ型ＧａＮ層１０２と、層厚０．５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３と、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４と、層厚８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層が４層及び層厚４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層が３層から成る多重量子井戸構造発光層１０５と、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７と、層厚０．４μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９と、が順に積層されて構成される。尚、本発明においては、窒化物半導体基板としては、窒化物半導体基板１０１の材料にｎ型のＧａＮ基板を用いたが、この材料に限定されるものではなく、ｐ型のＧａＮ基板、半絶縁性のＧａＮ基板、Ａｌ1-xＧａxＮ（０≦ｘ≦１）基板等を用いても構わない。
【００２０】
次に、上述の窒化物半導体成長層１１６の製造方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着法）を用いた場合を示しているが、エピタキシャル成長できる成長法であれば、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、ＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシ法）、ＨＤＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライドＶＰＥ法）等、他の気相成長法を用いても構わない。
【００２１】
窒化物半導体基板１０１をＭＯＣＶＤ装置の成長炉内の所定のサセプタ上に設置し、キャリアガスとして、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しながら、サセプタ温度を１０５０℃まで昇温する。昇温が終われば、キャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ：ＴＭＧ）を１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎを成長炉内に供給し、ｎ型ＧａＮ層１０２を３μｍ成長させる。その後、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎに減少し、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ：ＴＭＡ）を４０μｍｏｌ／ｍｉｎを成長炉内に供給して、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３を０．５μｍ成長させる。ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４を０．１μｍ成長させる。その後、ＴＭＧ、ＳｉＨ4の供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に代え、サセプタ温度を７００℃まで降温し、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ：ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎを成長炉内に供給し、Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎから成る８ｎｍ厚の障壁層を成長させる。次に、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎから成る４ｎｍ厚の井戸層を成長させる。同様の手法で井戸層は計３層成長させ、井戸層と井戸層との間及び両側の計４層の障壁層から構成される多重量子井戸発光層１０５を形成する。
【００２２】
多重量子井戸発光層１０５の形成されると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止し、サセプタ温度を１０５０℃まで昇温して、キャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーパントであるＭｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ2Ｈ5Ｃ5Ｈ4）2Ｍｇ：ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ成長炉内に供給し、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６を２０ｎｍ成長させる。ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７を０．１μｍ成長させる。引き続き、ＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに減少し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎで成長炉内に供給し、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８を０．４μｍ成長させ、次に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、ＴＭＡの供給を停止し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を０．１μｍ成長させて、窒化物半導体レーザ素子の半導体積層膜の成長を終了する。その後、ＴＭＧおよびＥｔＣｐ2Ｍｇの供給を停止して降温する。このようにして、表面に窒化物半導体成長層１１６の形成された窒化物半導体基板１０１（ウエーハ）が得られる。
【００２３】
上述のようにして窒化物半導体基板１０１上に窒化物半導体成長層１１６を形成した後、窒化物半導体レーザ素子の作製を行う。以下に、図面を参照し、窒化物半導体レーザ素子の作製方法を説明する。図２は本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図で、図３は本実施形態における窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハをｐ型電極側から見た上面図である。
【００２４】
まず、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、幅約２μｍのリッジストライプ構造を形成するように、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９をエッチングする。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８の一部までエッチングを行い、共振器方向に延びたストライプ状のリッジ構造であるリッジストライプ１２０を形成した後、リッジストライプ１２０上部を除く窒化物半導体成長層１１６の表面に、電流狭窄のため絶縁層としてＳｉＯ2埋め込み層１１０を形成する。次に、図２に示すように、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）を順次蒸着した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９との間でオーミック接触が得られるよう高温で電極の合金化を行い、ｐ型電極１１１を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用い、図３に示すようなｐ型電極領域３００を形成する。このとき、図３に示すように、リッジストライプの共振器方向の長さである共振器長Ｘよりも、ｐ型電極の共振器方向の長さであるｐ型電極長Ｙを短くすることで、リッジストライプ１２０上に一部ｐ型電極が形成されない領域が形成される。この領域が電流非注入領域３０４となる。尚、本実施形態においては、共振器長Ｘを６００μｍ、ｐ型電極長Ｙを５００μｍとする。
【００２５】
次に、上述のように窒化物半導体レーザ素子を形成したウエーハをバー状に分割する。このとき、図３に示すように、リッジストライプ１２０に沿った方向（以下、「ストライプ方向」とする）に隣接するｐ型電極領域３００の間に設けられたｐ型電極が形成されていない領域にバー分割ライン３０２を形成し、このストライプ方向と垂直な方向に延びたバー分割ライン３０２に沿って分割（へき開）行う。このように分割すると、リッジストライプ１２０の両端から５０μｍの領域を電流非注入領域３０４とする窒化物半導体レーザ素子が形成されたバー３０３が作製される。尚、電流非注入領域の形成方法は、上述の方法に限定されず、リッジストライプ１２０上の全面にｐ型電極１１１を形成し、バー３０３に分割したのち、ドライエッチング、ウエットエッチングなどの技術を用い、端面部分のみｐ型電極１１１を除去して電流非注入領域を形成する等の方法を用いても構わない。
【００２６】
また、本実施形態において、電流非注入領域３０４のストライプ方向の幅Ｚは１００μｍとするが、これに限定されるものではなく、共振器長Ｘの２０％を超えない範囲で、電流非注入領域３０４の幅Ｚを設定することができる。電流非注入領域３０４の幅Ｚが、共振器長Ｘの２０％より大きくなると、窒化物半導体レーザ素子の光出力−電流特性に悪影響を与える。このため、電流非注入領域３０４の幅Ｚは、共振器長Ｘの２０％以内とすることが好ましい。また、本実施形態では、電流非注入領域３０４をバー３０３の端面の両側に設けたが、これに限定されるものではなく、端面のいずれか片側のみに形成しても構わない。また、前記電流非注入領域から端面へのキャリアの拡散および熱の伝導を考慮すると、前記電流非注入領域の長さの合計が５μｍ以上であることが好ましい。
【００２７】
上述のように電流非注入領域３０４を形成した後、バー分割ライン３０２に沿ってへき開を行うが、このへき開を容易に行えるために、窒化物半導体基板１０１の裏面の研削や、研磨がなされる。そして、この研削や研磨が行われた窒化物半導体基板１０１の裏面に、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）からなるｎ型電極１１２を形成し、ｎ型ＧａＮを材料とする窒化物半導体基板１０１との間でオーミック接触が得られるよう高温で電極の合金化を行う。引き続き、ｎ型電極１１２表面にモリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）からなるｎ型金属層１１３を形成する。
【００２８】
このようにして形成されたウエーハを、スクライブ装置を用い、上述したように、バー分割ライン３０２に沿ってへき開することで、共振器方向の共振器長Ｘが６００μｍとするバー３０３に分割する。分割されたバー３０３の前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜１１４を形成する。尚、コーティング保護膜１１４が、波長４００ｎｍの光における消衰係数が１０-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜１１４による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜１１４の材料として、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＬｉＦ、ＬａＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＡｌＮなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。
【００２９】
また、端面にコーティングを実施することで端面劣化を防止するとともに、閾値、スロープ効率などの他の窒化物半導体レーザ素子の特性を改善することもできる。
【００３０】
更に、バー状態であるバー３０３から、窒化物半導体レーザ素子を１つずつ分割する。このようにして形成した窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、窒化物半導体レーザ装置が得られる。このように作製した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性評価を行った。光出力１８０ｍＷまで、キンクは無く、ＣＯＤは発生しなかった。尚、当該窒化物半導体レーザ素子の電流非注入領域３０４の片側の幅を５０μｍとする。
【００３１】
次に、共振器長Ｘを変えて、窒化物半導体レーザ素子を作製し、光出力−電流特性の評価を行った。電流非注入領域３０４の共振器方向の全長を、共振器長Ｘの２０％以下とすると、図９でみられたような光出力の飽和は生じず、光出力１８０ｍＷまでの高出力動作においても、ＣＯＤは生じない。
【００３２】
また、窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載するとき、ｐ型電極１１１側をヒートシンクに搭載するジャンクションダウン方式で搭載すれば、レーザ発振により発生する熱が、より効率的にヒートシンクへと放熱される。結果、ＣＯＤの発生は、さらに抑制される。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板１０１上に積層される窒化物半導体成長層１１６の構成と作製方法は、第１の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第１の実施形態を参照するものとして、省略する。
【００３４】
窒化物半導体基板１０１上に窒化物半導体成長層１１６を第１の実施形態と同様、図１のように形成した後、窒化物半導体レーザ素子の作製を行う。以下に、図面を参照し、窒化物半導体レーザ素子の作製方法を説明する。
【００３５】
まず、フォトリソグラフィー技術を用いて、幅２μｍ程度のリッジストライプパターンを形成する。このフォトリソグラフィー工程では、露光用の光が当たった部分が、後の現像工程で除去されるポジ型のフォトレジストを使用する。この場合、通常、フォトマスクは、ストライプパターン部分はＣｒ(クロム)などの材料で構成され遮光性を有し、それ以外の部分は透光性である。一方、本実施形態では、フォトマスクのストライプパターンの一部を、光を部分的に透過する、例えば、光学フィルターなどの材料で構成する。このことにより、露光時間を調整し、ストライプパターンの一部のレジストが半露光状態となる。よって、現像液に浸すと、遮光された部分のストライプパターンのレジスト膜厚は変化しないが、半露光状態となったストライプパターンのレジスト膜厚が薄くなる。
【００３６】
このようにして、窒化物半導体成長層１１６表面に形成されたフォトレジストパターンを用い、塩素（Ｃｌ2）などの反応性ガスを用いるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術によって、リッジストライプ５２０を形成する。ＲＩＥによるエッチング深さは、露光が行われレジストパターンが形成されていない部分では、０．６μｍ程度とし、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７とｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６との界面付近までエッチングを実施した。一方、リッジストライプ５２０上で通常よりレジスト膜厚の薄い部分では、ＲＩＥによってレジストが完全に除去され、さらに、当該レジスト直下の窒化物半導体成長層１１６が、数百ｎｍ程度エッチングされる。このようにして、ストライプパターンの位置によって窒化物半導体成長層１１６のエッチング量を変えることにより、段差が形成されたリッジストライプ５２０が形成される。尚、本実施形態では１枚のフォトマスクを用いる方法で、段差のあるリッジストライプ５２０を形成しているが、この方法に限定されるものではなく、例えば、２枚のパターンの異なるフォトマスクを用い、各々のフォトマスクで形成されたレジストパターンに対してＲＩＥによるエッチング深さを変えるなどの方法でも、リッジストライプ５２０を形成しても構わない。
【００３７】
次に、電流狭窄のための絶縁層としてＳｉＯ2埋め込み層１１０を、エッチング後の窒化物半導体成長層１１６表面に２５０ｎｍ形成し、引き続いて、リッジストライプ５２０上のＳｉＯ2をレジストごと剥離する。尚、このとき、リッジストライプ５２０上の段差部の上段部に形成されたＳｉＯ2絶縁層５１０は除去されない。引き続き、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）からなるｐ型電極１１１を蒸着し、高温で電極の合金化を行う。このようにして、リッジストライプ５２０を構成するｐ型電極１１１とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９間でリッジストライプ５２０に形成された段差部の上段部にＳｉＯ2絶縁層５１０が挿入され、その部分が電流非注入領域となる構造が形成される。
【００３８】
更に、へき開を容易に行えるように、窒化物半導体基板１０１を裏面から研削、研磨をした。窒化物半導体基板１０１裏面にハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）からなるｎ型電極１１２を形成して、高温にて電極の合金化を行う。引き続いてｎ型電極１１２にモリブデン（Ｍｏ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）からなるｎ型金属層１１３を形成する。
【００３９】
このように、形成されたウエーハをスクライブ装置を用いて、共振器長を６００μｍとし、バー状に分割した。分割されたバーの前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜１１４を形成する。尚、コーティング保護膜１１４が、波長４００ｎｍの光における消衰係数が１０-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜１１４による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜１１４の材料として、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＬｉＦ、ＬａＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＡｌＮなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー状態から窒化物半導体レーザ素子を１つずつに分割した。このようにして形成した窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、半導体レーザ装置が得られる。
【００４０】
尚、本実施形態では、上述のように、ｐ型電極１１１の下部にＳｉＯ2絶縁層５１０を挿入し電流非注入領域を形成したが、電流非注入領域はリッジストライプ５２０上に６００μｍ間隔で形成し、ｐ型電極１１１の下部にＳｉＯ2が挿入された電流非注入領域の幅は１００μｍとする。また、ウエーハをバー状に分割するとき、電流非注入領域の中央部でへき開を行い、レーザ共振器端面の両側から幅５０μｍの領域は、電流非注入領域となるようにする。
【００４１】
上述のようにして作製された窒化物半導体レーザ素子は、光出力１８０ｍＷまでキンクの発生は無く、ＣＯＤも発生しなかった。一方、ｐ型電極１１１の下部にＳｉＯ2絶縁層５１０を挿入し形成した電流非注入領域の幅を２００μｍとして、その中央部でバー分割をし、共振器端面の両側から幅１００μｍの領域が電流非注入領域となるように、窒化物半導体レーザ素子の作製した。当該窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力は３０ｍＷ程度で飽和した。光出力の飽和の原因は、電流非注入領域が広く、光出力の立ち上がり時に電流非注入領域で光吸収が多いためである。
【００４２】
更に、共振器長を変えて、同様な、ｐ型電極１１１のリッジストライプ下部にＳｉＯ2絶縁層５１０を挿入し電流非注入領域を形成した窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、電流非注入領域の共振器方向の全長が、共振器長の２０％以下であるときは、光出力の飽和は生じず、２００ｍＷまでの高出力動作でもＣＯＤは発生しなかった。
【００４３】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板１０１上に積層される窒化物半導体成長層１１６の構成と作製方法は、第１の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第１の実施形態を参照するものとして、省略する。
【００４４】
窒化物半導体基板１０１上に第１の実施形態と同様、図１に示す窒化物半導体成長層１１６が形成されたウエーハ表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて、一部領域に、レジストマスクを形成する。次に、当該ウエーハにイオン注入機などを用い、窒化物半導体成長層１１６へのイオン注入を実施する。本実施例では、注入するイオンにボロン（Ｂ）を用いるが、イオン種はこれに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）などでも構わない。また、注入されるイオンの進入深さは、窒化物半導体成長層１１６のｐ型ＧａＮコンタクト層１０９に到達する程度で、窒化物半導体成長層１１６中の多重量子井戸構造発光層１０５にはダメージを与えないように注入するイオンエネルギーを設定する。尚、レジストで覆われた部分では、レジストに阻まれイオンは窒化物半導体成長層１１６中には侵入しない。イオンが注入された領域では、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９部分の結晶状態が破壊されるなどして欠陥が生じ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９がダメージを受けることとなる。結果、高抵抗領域６１０が形成される。
【００４５】
尚、本実施形態ではイオン注入機を用いて、イオン注入を実施しているが、イオン注入の方法はこれに限定されるものではなく、例えば、ドライエッチング装置を用いたプラズマドーピングなどの方法を用いても構わない。また、本実施形態では、高抵抗領域６１０はｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の表面に形成されるとしたが、多重量子井戸構造発光層１０５にダメージを与えなければ、積層されたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９のいずれかの膜中に、高抵抗領域６１０が形成されても構わない。
【００４６】
イオン注入が終わると、レジストを剥離する。次に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、リッジストライプ６２０を形成する。図６に示すように、リッジストライプ６２０を、高抵抗領域６１０に対して、垂直方向に形成する。リッジストライプ６２０は、フォトリソグラフィ技術を用いて、ウエーハ上にレジストによる２μｍ幅のリッジストライプパターンを形成し、それ以外の部分を、ドライエッチングを行い除去することで形成される。次に、電流狭窄のための絶縁層としてＳｉＯ2埋め込み層１１０を形成したのち、リッジストライプ６２０上のＳｉＯ2を除去する。引き続き、Ｐｄ、Ｍｏ、Ａｕからなるｐ型電極１１１を形成して、高温で電極の合金化を行う。
【００４７】
更に、窒化物半導体基板１０１の裏面側から研削、研磨を行った後に、窒化物半導体基板１０１の裏面側にＨｆ、Ａｌからなるｎ型電極１１２を形成する。次にｎ型電極の電極の合金化を行った後、ｎ型電極１１２表面にＭｏ、Ｐｔ、Ａｕから成るｎ型金属層１１３を形成する。次にウエーハをバー分割ライン３０２に沿ってバー状に分割し、分割されたバーの前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜１１４を形成する。尚、コーティング保護膜１１４が、波長４００ｎｍの光における消衰係数が１０-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜１１４による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜１１４の材料として、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＬｉＦ、ＬａＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＡｌＮなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー状態から、各々の窒化物半導体レーザ素子に分割を行う。分割が終われば、窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載して配線、キャップの取り付け等を行い、窒化物半導体レーザ装置が得られる。
【００４８】
尚、本実施形態では、図６に示すように、高抵抗領域６１０はリッジストライプ６２０方向に対して垂直方向に６００μｍピッチで設けられ、高抵抗領域６１０の幅Ｗは１００μｍとした。バー分割を行うときは、高抵抗領域６１０の中央部でバー分割ライン３０２に沿って分割を行い、形成された共振器端面の両端から幅５０μｍの領域が高抵抗領域６１０となる。この高抵抗領域６１０のストライプ部分が、電流非注入領域７０２となる。
【００４９】
上述の方法で形成した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力が１８０ｍＷを超えても、ＣＯＤによる端面破壊などは発生しなかった。電流非注入領域７０２の幅を、端面から片側１００μｍ程度となるように作製した窒化物半導体レーザ素子を特性評価したところ、光出力が３０ｍＷ程度で飽和した。これは、電流非注入領域の幅が広すぎるため、この領域での光吸収が多くなったためである。
【００５０】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図７は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。尚、本実施形態における窒化物半導体基板１０１上に積層される窒化物半導体成長層１１６の構成と作製方法は、第１の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は、第１の実施形態を参照するものとして、省略する。
【００５１】
窒化物半導体基板１０１上に第１の実施形態と同様、図１に示す窒化物半導体成長層１１６が形成されたウエーハ表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて、一部領域に、レジストマスクを形成する。次に、レジストマスクに覆われていない窒化物半導体成長層１１６が露出した部分の表面層にダメージを与える。但し、レジストマスクで覆われている領域にはダメージ生じないようにする。本実施形態では、ＲＩＥ技術を用い、半導体成長層が露出している部分の最表面をエッチングすることで、表面層の結晶状態が破壊され欠陥が生じたり、エッチングに用いた反応性ガス中のイオンなどが不純物として注入されるなどして、表面層にダメージを与えることによりダメージ領域８１０を形成する。尚、表面層にダメージを与える方法は、ＲＩＥに限定されるものではなく、レーザや電子線を照射するなどの方法でも構わない。また、表面層のエッチング量は限定されない。
【００５２】
エッチングされた部分は表面層がダメージを受け、その表面に電極を形成し、高温で電極の合金化を実施しても、半導体層と電極はオーミック接触を得ることはできず、ショットキー障壁を形成し、電流が流れない。結果、ダメージを受けた表面層の領域が電流非注入領域となる。尚、表面層のダメージが軽度のとき、電流非注入領域を有する窒化物半導体レーザ素子に電圧を一定以上の値で印加すると、電流が流れる。よって、ＣＯＤが発生する可能性が高い駆動電圧でショットキー障壁を維持するように、表面層にダメージを与えることが好ましい。
【００５３】
表面層にダメージを与えた後、レジストを剥離する。引き続いて、リッジストライプ８２０を形成する。リッジストライプ８２０は、ダメージ領域８１０に対して、垂直方向に形成する。リッジストライプ８２０の形成方法は、フォトリソグラフィ技術により、ウエーハ上に２μｍ幅のレジストによるリッジストライプパターンを形成する。それ以外の部分は、ＲＩＥ技術により除去し、リッジストライプ８２０を形成する。更に、電流狭窄のための絶縁膜としてＳｉＯ2埋め込み層１１０を形成した後、リッジストライプ８２０上のＳｉＯ2を除去する。引き続き、Ｐｄ、Ｍｏ、Ａｕからなるｐ型電極１１１を形成し、高温で電極の合金化を行う。このとき、表面層にダメージを受けていない領域では、ｐ型電極１１１とｐ型ＧａＮコンタクト層１０９と間はオーミック接触するが、表面層にダメージを受けた領域であるダメージ領域８１０では、ショットキー接触が形成され、電流が流れない電流不注入領域となる。
【００５４】
次に、窒化物半導体基板１０１の裏面側から研削、研磨を行った後、窒化物半導体基板１０１裏面側にＨｆ、Ａｌから成るｎ型電極１１２を形成する。高温でｎ型電極１１２の電極の合金化を行った後、更に、ｎ型電極１１２表面に窒化物半導体基板１０１側から順に、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕから成るｎ型金属層１１３を形成する。このようにして作製したウエーハを、バー分割ライン３０２に沿ってバー状に分割する。分割されたバー９０３（図８参照）の前後両方の端面に、絶縁体でコーティング保護膜１１４を形成する。尚、コーティング保護膜１１４が、波長４００ｎｍの光における消衰係数が１０-4以下の絶縁材料により構成されるものとすることで、コーティング保護膜１１４による共振器端面における反射率を最適なものに制御することができる。そして、このようなコーティング保護膜１１４の材料として、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＬｉＦ、ＬａＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＡｌＮなどを用いても構わない。又、端面のコーティングは、必ずしも反射率を制御するためだけではなく、端面の保護のために形成しても構わない。次に、バー９０３を各々の窒化物半導体レーザ素子に分割する。次に、分割された窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに搭載し、配線、キャップの取り付け等を行い、半導体レーザ装置が得られる。
【００５５】
又、本実施形態では、図８に示すように、ダメージ領域８１０はリッジストライプ方向に対して垂直に６００μｍピッチで設けられ、その幅は１００μｍとする。窒化物半導体レーザ素子に分割する場合は、ダメージ領域８１０の中央部でバー分割ライン３０２に沿って分割を行い、分割された窒化物半導体レーザ素子の共振器方向の端面の両端から幅５０μｍの領域がダメージ領域８１０となる。このダメージ領域８１０のストライプ部分９０２は、上述のようにショットキー接触を形成しており、電流非注入領域である。
【００５６】
上述の方法で作製した窒化物半導体レーザ素子の電流−光出力特性を評価したところ、光出力が１８０ｍＷを超えても、ＣＯＤによる端面破壊等は発生しなかった。一方、ダメージ領域８１０の幅を片側１００μｍ、合計２００μｍとしたとき、光出力は３０ｍＷ程度で飽和した。これは、電流非注入領域の幅が広いために、この部分での光吸収が増加したためである。他の実施形態と同様、ショットキー接触をしているダメージ領域８１０の幅は、共振器長Ｘの２０％以下とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態における窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体成長層の構造を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハをｐ型電極側から見た上面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハをｐ型電極側から見た上面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における窒化物半導体レーザ素子の多層構造を示す概略構成図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハをｐ型電極側から見た上面図である。
【図９】窒化物半導体レーザ素子の光出力−電流特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０１    窒化物半導体基板
１０２    ｎ型ＧａＮ層
１０３    ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１０４    ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０５    多重量子井戸構造発光層
１０６    ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
１０７    ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０８    ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１０９    ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１０    ＳｉＯ2埋め込み層
１１１    ｐ型電極
１１２    ｎ型電極
１１３    ｎ型金属層
１１４    コーティング保護膜
１１６    窒化物半導体成長層
１２０    リッジストライプ
３００    ｐ型電極領域
３０２    バー分割ライン
３０３    バー
３０４    電流非注入領域
５１０    ＳｉＯ2絶縁層
５２０    リッジストライプ
６１０    高抵抗領域
６２０    リッジストライプ
７０２    電流非注入領域
７０３    バー
８１０    ダメージ領域
８２０    リッジストライプ
９０２    電流非注入領域
９０３    バー
【図１】
2005216990.tif 000003
【図２】
2005216990.tif 000004
【図３】
2005216990.tif 000005
【図４】
2005216990.tif 000006
【図５】
2005216990.tif 000007
【図６】
2005216990.tif 000008
【図７】
2005216990.tif 000009
【図８】
2005216990.tif 000010
【図９】
2005216990.tif 000011