(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体レーザであって、
第１導電型窒化ガリウム系半導体層と、
第２導電型窒化ガリウム系半導体層と、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第１光ガイド層と、
前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層と前記発光層との間に設けられた第２光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、バンドギャップＥＷを有する井戸層と、バンドギャップＥＢを有する障壁層と、を含む量子井戸構造を有し、
前記発光層の前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、
前記第１光ガイド層、前記第２光ガイド層、及び前記障壁層の少なくともいずれかは、バンドギャップＥＹを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第１光吸収層を含み、
前記第１光吸収層の前記バンドギャップＥＹは前記バンドギャップＥＷよりも大きく、前記バンドギャップＥＹは前記バンドギャップＥＢよりも小さく、
前記バンドギャップＥＹと前記バンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さく、
当該窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、４６０ｎｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記発光層は、エネルギーＥＸに対応する波長で当該窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有するように設けられており、
前記第１光吸収層の前記バンドギャップＥＹは前記エネルギーＥＸよりも大きく、
前記バンドギャップＥＹと前記エネルギーＥＸとの差は０よりも大きく、
前記差は０．０９ｅＶよりも小さい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。
【請求項３】
前記第１光ガイド層、及び前記第２光ガイド層のうち少なくともいずれかには、前記第１光吸収層が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１光ガイド層は、前記第１光吸収層と、前記第１光吸収層と前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第１ＩｎＧａＮガイド部とを含み、
前記第１ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、前記第１光吸収層の前記バンドギャップＥＹより大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２光ガイド層は、前記第１光吸収層と、前記第１光吸収層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２ＩｎＧａＮガイド部とを含み、
前記第２ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、前記第１光吸収層の前記バンドギャップＥＹより大きいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項６】
前記障壁層には、前記第１光吸収層が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項７】
前記発光層は、別の井戸層を更に含み、
前記障壁層は、前記第１光吸収層と、第１及び第２ＩｎＧａＮ障壁部とを含み、
前記第１ＩｎＧａＮ障壁部は、前記第１光吸収層と前記井戸層との間に設けられており、
前記第２ＩｎＧａＮ障壁部は、前記第１光吸収層と前記別の井戸層との間に設けられており、
前記第１及び第２ＩｎＧａＮ障壁部のバンドギャップＥＢは、前記第１光吸収層の前記バンドギャップＥＹより大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１光ガイド層は、第２光吸収層と、前記第２光吸収層と前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第３ＩｎＧａＮガイド部とを含み、
前記第２光吸収層は、バンドギャップＥＹ２を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第２光吸収層の前記バンドギャップＥＹ２は前記バンドギャップＥＷよりも大きく、
前記第２光吸収層の前記バンドギャップＥＹ２と前記バンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さく、
前記第３ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、前記第２光吸収層の前記バンドギャップＥＹ２より大きいことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２光ガイド層は、第３光吸収層と、前記第３光吸収層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第４ＩｎＧａＮガイド部とを含み、
前記第３光吸収層は、バンドギャップＥＹ３を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、
前記第３光吸収層の前記バンドギャップＥＹ３は前記バンドギャップＥＷよりも大きく、
前記第３光吸収層の前記バンドギャップＥＹ３と前記バンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さく、
前記第４ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、前記第３光吸収層の前記バンドギャップＥＹ３より大きいことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第１光吸収層はＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１１】
前記第１光吸収層はＩｎＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１２】
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層は、ＡｌＧａＮからなり、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第１光吸収層は、１×１０１８ｃｍ―３以上のｎ型又はｐ型のドーパントを含むことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１４】
窒化物半導体基板をさらに備え、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第１光ガイド層、及び前記第２光ガイド層は、前記窒化物半導体基板の主面上に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１５】
前記窒化物半導体基板は、所定の貫通転位密度よりも小さい貫通転位密度を有する第１領域と、前記所定の貫通転位密度よりも大きい貫通転位密度を有する第２領域と、からなり、前記第１領域及び前記第２領域は、前記窒化物半導体基板の裏面から前記主面まで延びており、
前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層、前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層、前記発光層、前記第１光ガイド層、及び前記第２光ガイド層は、前記主面の前記第１領域上に設けられており、
前記第２領域は、前記第１領域に沿って延びており、
当該窒化物半導体レーザの共振器は、前記第２領域に沿って延びていることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１６】
前記共振器は、前記窒化物半導体基板の[１０−１０]方向に延びていることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１７】
前記所定の貫通転位密度は、１×１０７ｃｍ―２未満であることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１８】
前記窒化物半導体基板はＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１４〜請求項１７のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１９】
前記窒化物半導体基板はＩｎＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１４〜請求項１７のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項２０】
前記窒化物半導体基板の前記主面は、半極性を有することを特徴とする請求項１４〜請求項１９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項２１】
前記窒化物半導体基板の前記主面は、無極性面であることを特徴とする請求項１５１４〜請求項１９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ｍ面ＧａＮ基板上に形成された窒化物半導体レーザが記載されている。発振波長は４５９ｎｍである。また、非特許文献２〜４には、ｃ面ＧａＮ基板上に形成された窒化物半導体レーザが記載されている。特許文献２〜４に記載の窒化物半導体レーザの発振波長はそれぞれ、４７０ｎｍ、４６０ｎｍ、及び４２２ｎｍである。また、特許文献５には、２つの波長又は３つの波長で発光する半導体レーザダイオードが記載されている。この半導体レーザダイオードは、サファイア基板上に形成されている。
【非特許文献１】M. Kubota et. al.“Continuous-Wave Operation of Blue Laser Diodes Based on Nonpolarm-Plane Gallium Nitride”,Applied Physics Express 1 011102, 2008, p.011102-1-011102-3
【非特許文献２】K. Kojima, et. al. “Gain suppression phenomena observed in InXGa1-XNquantum well laser diodes emitting at 470 nm”, Applied Physics Letters 89, 241127, 2006,p.241127-1-241127-3
【非特許文献３】S. Nagahama et. al. “Characteristics of InGaN Laser diodes in the pure blue region”, Applied Physics Letters,Volume79, Number 13, 2001, p.1948-1950
【非特許文献４】S. Nagahama et. al. “Wavelength Dependence of InGaN Laser Diode Characteristics”, Japanese Journal ofApplied Physics, Vol.40, 2001, p.3075-3081
【非特許文献５】M. Yamada et. al. “Phosphor Free High-Luminous-Efficiency White Light-Emitting DiodesComposed of InGaN Multi-Quantum Well”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.41, 2002, p.246-248
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の各非特許文献に記載の窒化物半導体レーザは、量子井戸構造の発光層を有する。これらの窒化物半導体レーザは、量子井戸構造のバンド構造に対応した波長で、レーザ発振する。
【０００４】
しかしながら、これらの窒化物半導体レーザにおいては、バンドフィリングによって、レーザ発振波長は井戸層のバンドギャップエネルギーに対応した波長より短い。このバンドフィリングは、長波長で発振する窒化物半導体レーザを得るために、低減されなければならない。
【０００５】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、バンドフィリングによる影響を低減することが可能な窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、第１導電型窒化ガリウム系半導体層と、第２導電型窒化ガリウム系半導体層と、第１導電型窒化ガリウム系半導体層と第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた発光層と、第１導電型窒化ガリウム系半導体層と発光層との間に設けられた第１光ガイド層と、第２導電型窒化ガリウム系半導体層と発光層との間に設けられた第２光ガイド層とを備え、発光層は、バンドギャップＥＷを有する井戸層と、バンドギャップＥＢを有する障壁層とを含む量子井戸構造を有し、第１光ガイド層、第２光ガイド層、及び障壁層の少なくともいずれかは、バンドギャップＥＹを有する窒化ガリウム系半導体層からなる第１光吸収層を含み、第１光吸収層のバンドギャップＥＹはバンドギャップＥＷよりも大きく、バンドギャップＥＹはバンドギャップＥＢよりも小さく、バンドギャップＥＹとバンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さいことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、レーザ発振に先立つＬＥＤモードにおける発光スペクトルは、レーザ発振における発光スペクトルよりに比べて広い。ＬＥＤモードにおける発光スペクトルは、そのピーク波長よりも波長の長い長波長領域の波長成分と、ピーク波長よりも波長の短い短波長領域の成分とを含む。第１光吸収層のバンドギャップＥＹが上記の関係を満たすので、第１光吸収層は短波長領域の波長成分の光を吸収できる。このため、短波長領域の波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域の波長成分の光は、当該窒化物半導体レーザの共振器内を伝播する。その結果、長波長領域の波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減できる。
【０００８】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層は、エネルギーＥＸに対応する波長で窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有するように設けられており、第１光吸収層のバンドギャップＥＹはエネルギーＥＸよりも大きく、バンドギャップＥＹとエネルギーＥＸとの差は０よりも大きく、その差は０．０９ｅＶよりも小さいことができる。
【０００９】
これにより、第１光吸収層のバンドギャップＥＹは井戸層のバンドギャップＥＷよりも大きく、バンドギャップＥＹとエネルギーＥＸとの差は、０よりも大きく、０．０９ｅＶよりも小さいので、第１光吸収層は短波長領域の波長成分の光を吸収できる。
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１光ガイド層、及び第２光ガイド層のうち少なくともいずれかには、第１光吸収層が設けられていることができる。これにより、第１光ガイド層や第２光ガイド層の第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層の井戸層はＩｎＧａＮからなることができる。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１光ガイド層は、第１光吸収層と、第１光吸収層と第１導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第１ＩｎＧａＮガイド部とを含み、第１ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、第１光吸収層のバンドギャップＥＹより大きいことができる。これにより、第１光ガイドの第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第２光ガイド層は、第１光吸収層と、第１光吸収層と第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第２ＩｎＧａＮガイド部とを含み、第２ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、第１光吸収層のバンドギャップＥＹより大きいことができる。これにより、第２光ガイドの第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、障壁層には、第１光吸収層が設けられていることができる。これにより、障壁層の第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、発光層は、別の井戸層を更に含み、障壁層は、第１光吸収層と、第１及び第２ＩｎＧａＮ障壁部とを含み、第１及び第２ＩｎＧａＮ障壁部は、第１光吸収層と井戸層及び別の井戸層との間にそれぞれ設けられており、第１及び第２ＩｎＧａＮ障壁部のバンドギャップＥＢは、第１光吸収層のバンドギャップＥＹより大きいことができる。これにより、障壁層の第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１光ガイド層は、第２光吸収層と、第２光吸収層と第１導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第３ＩｎＧａＮガイド部とを含み、第２光吸収層は、バンドギャップＥＹ２を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、第２光吸収層のバンドギャップＥＹ２はバンドギャップＥＷよりも大きく、第２光吸収層のバンドギャップＥＹ２とバンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さく、第３ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、第２光吸収層の前記バンドギャップＥＹ２より大きいことができる。これにより、第１光ガイド層の第２光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第２光ガイド層は、第３光吸収層と、第３光吸収層と第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられた第４ＩｎＧａＮガイド部とを含み、第３光吸収層は、バンドギャップＥＹ３を有する窒化ガリウム系半導体層からなり、第３光吸収層のバンドギャップＥＹ３はバンドギャップＥＷよりも大きく、第３光吸収層のバンドギャップＥＹ３とバンドギャップＥＷとの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶより小さく、第４ＩｎＧａＮガイド部のバンドギャップは、第３光吸収層のバンドギャップＥＹ３より大きいことができる。これにより、第２光ガイド層の第３光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を吸収することができる。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１光吸収層はＩｎＧａＮからなることができる。これにより、第１光吸収層は、第１光ガイド層、第２光ガイド層、及び井戸層と同様の材料で構成されるので、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。その結果、良好な発光特性の窒化物半導体レーザが得られる。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１光吸収層はＩｎＡｌＧａＮからなることができる。これにより、第１光吸収層は、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成された短波長領域の成分の光を効率よく吸収する。
【００２０】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、第１導電型窒化ガリウム系半導体層は、ＡｌＧａＮからなり、第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、ＡｌＧａＮからなることができる。第１及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層はクラッド層として働く。これにより、井戸層で生成された光が有効に発光層及び光ガイド層に閉じ込められる。
【００２１】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、光吸収層は、１×１０１８ｃｍ―３以上のｎ型又はｐ型のドーパントを含むことができる。これにより、光吸収層のｎ型又はｐ型ドーパントは、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成した短波長領域の成分の光の吸収に寄与する。
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、窒化物半導体基板をさらに備えることができる。第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、発光層、第１光ガイド層、及び第２光ガイド層は、窒化物半導体基板の主面上に設けられていることができる。
【００２３】
これにより、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。その結果、良好な発光特性の窒化物半導体レーザが得られる。
【００２４】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板は、所定の貫通転位密度よりも小さい貫通転位密度を有する第１領域と、所定の貫通転位密度よりも大きい貫通転位密度を有する第２領域とからなり、第１領域及び第２領域は、窒化物半導体基板の裏面から主面まで延びており、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、発光層、第１光ガイド層、及び第２光ガイド層は、主面の第１領域上に設けられており、第２領域は、第１領域に沿って延びており、窒化物半導体レーザの共振器は、第２領域に沿って延びていることができる。
【００２５】
これにより、共振器が容易に第２領域に沿って設けられることができる。このため、共振器が所定の結晶軸に沿って向き付けされた窒化物半導体レーザが得られる。
【００２６】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、共振器は、窒化物半導体基板の[１０−１０]方向に延びていることができる。これにより、窒化物半導体基板の（１０−１０）面の劈開面を窒化物半導体レーザの共振器として利用できる。
【００２７】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、所定の貫通転位密度は、１×１０７ｃｍ―２未満であることができる。これにより、窒化物半導体レーザの半導体層の結晶品質が向上する。
【００２８】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板はＧａＮ基板であることができる。これにより、大型のＧａＮウェハを用いて窒化物半導体レーザを作成できるので、窒化物半導体レーザの製造コストを低減できる。
【００２９】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板はＩｎＧａＮ基板であることができる。これにより、第１光ガイド層と、第２光ガイド層、及び発光層がＩｎＧａＮからなるとき、これらの層と窒化物半導体基板との格子不整合を小さくできる。そのため、第１光ガイド層、発光層、及び第２光ガイド層内のＩｎ組成の制御が容易となる。
【００３０】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板の主面は、半極性を有することができる。これにより、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響が低減された窒化物半導体レーザが得られる。
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体基板の主面は、無極性面であることができる。これにより、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響がより低減された窒化物半導体レーザが得られる。
【００３２】
本発明に係る窒化物半導体レーザでは、窒化物半導体レーザのレーザ発振波長は、４２５ｎｍ以上であることができる。さらに、本発明に係る窒化物半導体レーザでは、レーザ発振波長は４６０ｎｍ以上であることができる。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、バンドフィリングによる影響を低減することが可能な窒化物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】
【００３４】
以下、実施形態に係る窒化物半導体レーザについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。可能な場合には、同一要素には同一符号を用いる。
【００３５】
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す模式図である。図１に示すように、本実施系形態に係る窒化物半導体レーザ４０においては、窒化物半導体基板１の主面１ｘ、及び裏面１ｙ上に、半導体レーザのための半導体層がエピタキシャル成長している。エピタキシャル成長には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線成長）法等を用いることができる。図１には直交座標系Ｓが示されている。窒化物半導体レーザ４０の半導体層は、Ｚ軸方向に配置されている。Ｚ軸と直交する２方向に沿った方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向としている。
【００３６】
窒化物半導体レーザ４０は、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、第１光ガイド層５、発光層７、第２光ガイド層９、上部光ガイド層１１、電子ブロック層１２、上部クラッド層１３、上部コンタクト層１５、及びアノード電極層１７とを含む。これらの層は、窒化物半導体基板１の主面１ｘ上に搭載されている。また、窒化物半導体レーザ４０は、カソード電極層２１を含む。この層は、窒化物半導体基板１の裏面１ｙ上に搭載されている。
【００３７】
窒化物半導体レーザ４０は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。この第１導電型窒化ガリウム系半導体層は、下部クラッド層２を含むことができる。
【００３８】
下部クラッド層２は、ｎ型の窒化ガリウム系半導体層からなる。下部クラッド層２は発光層７にキャリアである電子を供給する。また、下部クラッド層２は、発光層７、第１光ガイド層５、及び下部光ガイド層３を構成する材料よりも屈折率の低い材料で形成されているので、発光層７で生じた光を発光層７付近に閉じ込める働きをする。下部クラッド層２を形成する材料としては、ＡｌＺ１Ｇａ１−Ｚ１ＮやＧａＮ等を用いることが好ましい。このＡｌＺ１Ｇａ１−Ｚ１ＮのＡｌの組成Ｚ１は０．０１〜０．１０であることが好ましい。また、下部クラッド層２の膜厚は、１００〜５０００ｎｍであることが好ましい。
【００３９】
下部光ガイド層３は、下部クラッド層２と第１光ガイド層５との間に設けられている。下部光ガイド層３は窒化ガリウム系半導体で形成されている。下部光ガイド層３の膜厚は、例えば、１０〜３００ｎｍとすることができる。下部光ガイド層３としては、例えば、ｎ型ＧａＮを用いることができる。
第１光ガイド層５は、発光層７と下部クラッド層２との間に設けられている。また、第１光ガイド層５は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。下部クラッド層２及び第１光ガイド層５は、発光層７で生じた光を発光層７付近に閉じ込めるために利用される。
【００４０】
発光層７は、下部クラッド層２と上部クラッド層１３との間に設けられている。また、発光層７は、第１光ガイド層５と第２光ガイド層９との間に設けられている。発光層７は、井戸層と、障壁層とを含む量子井戸構造を有している。発光層７近傍の構成について図２を参照しながら説明する。図２は窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造を示す模式図である。
【００４１】
図２に示すように、発光層７は、障壁層３４ａ、３４ｂと、井戸層３５からなる。Ｚ軸方向に沿って、井戸層３５と障壁層３４ａとが交互に配列されている。最も第１光ガイド層５側の井戸層３５及び第１光ガイド層５の間、及び、最も第２光ガイド層９側の井戸層３５及び第２光ガイド層９の間には、障壁層３４ｂが設けられている。
障壁層３４ａは、第１光吸収層３１と、第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘと、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙと、を含んでいる。第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘと、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙは、互いに隣り合う２つの井戸層３５間において、それぞれ第１光吸収層３１と一方の井戸層３５の間、及び第１光吸収層３１と他方の井戸層３５の間に設けられている。
即ち、第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘは、第１光吸収層３１と井戸層３５との間に設けられている。また、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙは、第１光吸収層３１と別の井戸層との間に設けられている。第１光吸収層３１は窒化ガリウム系半導体で形成されている。第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙは窒化ガリウム系半導体で形成されている。井戸層３５は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。
【００４２】
第１光ガイド層５は、第３ＩｎＧａＮガイド部５ａと、第２光吸収層５ｂとからなる。第２光吸収層５ｂは、発光層７と第３ＩｎＧａＮガイド部５ａとの間に位置している。第３ＩｎＧａＮガイド部５ａは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第２光吸収層５ｂは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第３ＩｎＧａＮガイド部５ａの膜厚は、例えば、１０〜３００ｎｍとすることができる。第３ＩｎＧａＮガイド部５ａとしては、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎを用いることができる。第３ＩｎＧａＮガイド部５ａのＩｎの組成Ｘ１は０．０１〜０．１０であることが好ましい。Ｉｎの組成Ｘ１が０．０１以下であると発光層７内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Ｉｎの組成Ｘ１が０．１０以上であるとＩｎＧａＮの結晶品質が悪化するからである。
【００４３】
第２光ガイド層９は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。第２光ガイド層９は、発光層７と上部クラッド層１３との間に設けられている。第２光ガイド層９は、発光層７と上部光ガイド層１１との間に設けられている。また、第２光ガイド層９は、第４ＩｎＧａＮガイド部９ａと、第３光吸収層９ｂとからなる。第３光吸収層９ｂは、発光層７と第４ＩｎＧａＮガイド部９ａとの間に位置している。第４ＩｎＧａＮガイド部９ａは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第３光吸収層９ｂは窒化ガリウム系半導体で形成されている。第４ＩｎＧａＮガイド部９ａの膜厚は、例えば、１０〜３００ｎｍとすることができる。第４ＩｎＧａＮガイド部９ａとしては、アンドープＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎを用いることができる。第４ＩｎＧａＮガイド部９ａのＩｎの組成Ｘ１は０．０１〜０．１０であることが好ましい。Ｉｎの組成Ｘ１が０．０１以下であると発光層７内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Ｉｎの組成Ｘ１が０．１０以上であるとＩｎＧａＮの結晶品質が悪化するからである。
【００４４】
次に、窒化物半導体レーザ４０の発光層７近傍の構成について、より詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図であり、バンド構造を窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造と対応させる形で示している。
【００４５】
図３に示すように、井戸層３５はバンドギャップＥＷを有する。第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂは、それぞれバンドギャップＥＹ、ＥＹ２、及びＥＹ３を有する。障壁層３４ａの第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ及び第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙはそれぞれバンドギャップＥＢを有する。第１光ガイド層５の第３ＩｎＧａＮガイド部５ａ及び第２光ガイド層９の第４ＩｎＧａＮガイド部９ａは、それぞれバンドギャップＥＢを有する。
【００４６】
そして、バンドギャップＥＷよりもバンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３の方が大きく、また、バンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３よりもバンドギャップＥＢの方が大きい（ＥＷ＜ＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３＜ＥＢ）。そのため、キャリアである電子及びホールは、発光層７内の井戸層３５に閉じ込められ、電子とホールが再結合し、発光層７において光が生じる。
【００４７】
また、本実施形態に係る窒化物半導体レーザ４０においては、バンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３とバンドギャップＥＷの差は、０よりも大きく、０．３ｅＶ（４．８×１０−２０Ｊ）より小さい。より好ましくは、バンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３はエネルギーＥＸよりも大きい（ＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３＞ＥＸ）。また、バンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３とエネルギーＥＸの差は、０ｅＶよりも大きく、０．０９ｅＶよりも小さい（０＜ＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３−ＥＸ＜０．０９ｅＶ）。ただし、エネルギーＥＸは、窒化物半導体レーザ４０のＬＥＤモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有する波長λＸに対応するエネルギーとする。
【００４８】
上述のように井戸層３５のバンドギャップＥＷ、第１、第２、第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂのバンドギャップＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３、及び第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙ、第３ＩｎＧａＮガイド部５ａ、及び第４ＩｎＧａＮガイド部９ａのバンドギャップＥＢにおいては、ＥＷ＜ＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３＜ＥＢの関係がある。ここで、ＥＹ、ＥＹ２、及びＥＹ３とＥＷとの差（ＥＹ−ＥＷ、ＥＹ２−ＥＷ、ＥＹ３−ＥＷ）は、それぞれ０．０５ｅＶ以上であることが好ましい。井戸層３５で生成された長波長領域ＲＨの成分の光（図４参照）の第１、第２、第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂによる吸収を小さくして、レーザの発振しきい値電流の上昇を小さくすることができるからである。また、ＥＢとＥＹ、ＥＹ２、ＥＹ３との差（ＥＢ−ＥＹ、ＥＢ−ＥＹ２、ＥＢ−ＥＹ３）は、それぞれ０．８ｅＶ以上であることが好ましい。井戸層３５へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからである。
【００４９】
エネルギーＥＸについて、図４を参照しながら説明する。図４は、窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける発光スペクトルを示す図である。窒化物半導体レーザ４０のＬＥＤモードにおける発光スペクトルは、レーザ発振における発光スペクトルよりも広くなる。そのため、ＬＥＤモードにおける発光スペクトルは、発光スペクトルがピーク強度を有する波長λＸよりも波長の長い長波長領域ＲＨと、波長λＸよりも波長の短い短波長領域ＲＬとを有する。そして、波長λＸに対応するエネルギーが、エネルギーＥＸとなる。
【００５０】
波長λＸは、バンドフィリング効果により、窒化物半導体レーザ４０に流す電流の電流密度に応じて変化する。例えば、窒化物半導体レーザ４０に流す電流の電流密度が高くなると、発光層７内の井戸層の底にキャリアが蓄積される。このキャリアの蓄積によりＬＥＤモードの発光のピーク波長が短くなる。この発光は、井戸層３５のバンドギャップＥＷが実効的に大きくなったことを示している。そのため、ピーク波長は、例えば、窒化物半導体レーザ４０に電流密度０．１ｋＡ／ｃｍ２の電流を流した場合のＬＥＤモードにおける発光スペクトルによって規定される。
【００５１】
上部光ガイド層１１は、窒化ガリウム系半導体で形成されている。上部光ガイド層１１は、上部クラッド層１３と発光層７との間に設けられている。上部光ガイド層１１及び第２光ガイド層９は、発光層７で生じた光を発光層７付近に閉じ込めるために利用される。上部光ガイド層１１としては、例えばアンドープＧａＮを用いることができる。上部光ガイド層１１の膜厚は、例えば１０〜３００ｎｍとすることができる。
【００５２】
電子ブロック層１２は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体で形成されている。電子ブロック層１２は、第２光ガイド層９及び上部光ガイド層１１よりもバンドギャップが大きい材料で形成されているので、キャリアである電子を発光層７付近に閉じ込める働きをする。電子ブロック層１２としては、例えば、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮを用いることができる。また、電子ブロック層１２の膜厚は、例えば、５〜１００ｎｍとすることができる。電子ブロック層１２のＡｌの組成Ｙは０．０５〜０．３０であることが好ましい。何故なら、Ａｌの組成Ｙが０．０５以下であると発光層７内に十分に電子をブロックできなくなるからであり、Ａｌの組成Ｙが０．３０以上であるとクラックが発生してＡｌＧａＮの結晶品質が悪化するからである。
【００５３】
窒化物半導体レーザ４０は、第２導電型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。この第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、上部クラッド層１３を含むことができる。
【００５４】
上部クラッド層１３は、ｐ型の窒化ガリウム系半導体で形成されている。上部クラッド層１３は発光層７にキャリアであるホールを供給する。また、上部クラッド層１３は、発光層７、第２光ガイド層９、及び上部光ガイド層１１を構成する材料よりも屈折率の低い材料で形成されているので、発光層７で生じた光を発光層７付近に閉じ込める働きをする。上部クラッド層１３を形成する材料としては、ＡｌＺ２Ｇａ１−Ｚ２Ｎを用いることが好ましい。上部クラッド層１３のＡｌの組成Ｚ２は０．０１〜０．１０であることが好ましい。Ａｌの組成Ｚ２が０．０１以下であると発光層７内への光閉じ込め効果が十分に得られなくなるからであり、Ａｌの組成Ｚ２が０．１０以上であるとクラックが発生してＡｌＧａＮの結晶品質が悪化するからである。また、上部クラッド層１３の膜厚は、５０〜１０００ｎｍとすることができる。
【００５５】
上部クラッド層１３上には、上部コンタクト層１５及びアノード電極層１７が形成されている。
【００５６】
また、窒化物半導体レーザ４０はＸ軸と交差する端面２５、２７を有する。端面２５、２７には、反射層が設けられている。端面２５、２７及び端面２５、２７間の光導波路は、窒化物半導体レーザ４０の共振器を構成する。端面２５、２７は、窒化物半導体基板１を劈開することによって形成されている。この劈開は、窒化物半導体基板１の（１０−１０）面で行い、共振器を[１０−１０]方向に向き付けすることが好ましい。何故なら、良好な壁開面が得られやすいからである。
【００５７】
窒化物半導体基板１は、例えば、ＧａＮ基板やＩｎＧａＮ基板を用いることができる。窒化物半導体基板１がＧａＮ基板であるとき、大型のＧａＮウェハが入手できる。そのため、ＧａＮウェハ上に多数の窒化物半導体レーザ素子を形成でき、窒化物半導体レーザ４０の製造コストを低減できる。また、窒化物半導体基板１としてＩｎＧａＮ基板を用いた場合、第１光ガイド層５、発光層７、及び第２光ガイド層９がＩｎＧａＮからなるとき、これらの層と窒化物半導体基板１との格子不整合を小さくできる。そのため、第１光ガイド層５と、発光層７、及び第２光ガイド層９内のＩｎ組成の制御が容易となる。
【００５８】
窒化物半導体基板１の主面１ｘは、窒化物半導体基板１のｃ面や、窒化物半導体基板１のｃ面からｍ軸方向やａ軸方向に所定の角度傾いた半極性面とすることができる。主面１ｘを半極性面とした場合、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響が低減される。また、窒化物半導体基板１の主面１ｘは、窒化物半導体基板１のｍ面やａ面等の無極性面であってもよい。この場合、ピエゾ電界よる発振波長の短波長化の影響がさらに低減される。
【００５９】
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ４０では、上記の条件を満たすので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ４０が得られる。第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂは短波長領域ＲＬの波長成分の光を吸収できるので、短波長領域ＲＬの波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域ＲＨの波長成分の光は、窒化物半導体レーザ４０の共振器内を伝播する。その結果、長波長領域ＲＨの波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ４０が得られる。
【００６０】
井戸層３５は、例えば、ＩｎＲＧａ１−ＲＮで形成することができる。この場合、Ｉｎの組成Ｒは、０．１３〜０．３０であることが好ましい。Ｉｎの組成Ｒが０．１３以下であると４２５ｎｍ以上の長波長の発振波長が得られなくなるからであり、Ｉｎの組成Ｒが０．３０以上であるとＩｎＧａＮの結晶品質が悪化してレーザ発振が得られなくなるからである。井戸層３５の厚さｔ３５は、２〜１０ｎｍであることが好ましい。井戸層３５の厚さｔ３５が２ｎｍ以上であると、所望の発振波長を得る際のＩｎ組成を小さくすることができるからであり、また、井戸層３５の厚さｔ３５が１０ｎｍ以下であるとＩｎＧａＮの結晶品質が良好になるからである。なお、発光層７内の井戸層３５の数は特に制限されず、１層、２層又は４層以上であってもよい。
【００６１】
第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂは、ＩｎＵＧａ１−ＵＮで形成することが好ましい。ＩｎＵＧａ１−ＵＮは、窒化物半導体基板１上に高い結晶品質で成長させることが可能だからである。この場合、Ｉｎの組成Ｕは、０．１０〜０．２７であることが好ましい。Ｉｎの組成Ｕが０．１０以下であると短波長領域ＲＬの波長成分の光を吸収し難くなる傾向があるためであり、Ｉｎの組成Ｕが０．２７以上であると長波長領域ＲＨの波長成分の光も吸収してレーザ発振が得難くなるからである。
【００６２】
また、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂは、ＩｎＡｌＧａＮで形成することが好ましい。ＩｎＡｌＧａＮは発光層７内で発生した光をＩｎＧａＮよりも効率良く吸収するので、ＬＥＤモードにおいて井戸層で生成した短波長領域の成分の光を効率よく吸収することが可能になる。
【００６３】
また、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂには、１×１０１８ｃｍ―３以上、５×１０１９ｃｍ―３以下のｎ型のドーパントが添加されていることが好ましい。何故なら、ｎ型のドーパントの濃度が１×１０１８ｃｍ―３以上であると井戸層３５で生成した短波長領域ＲＬの成分の光の吸収効率が増加するからであり、また、ｎ型のドーパントの濃度が５×１０１９ｃｍ―３以下であると、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂの結晶品質が良好となるからである。ｎ型のドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ等を用いることができる。
【００６４】
また、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂには、１×１０１８ｃｍ―３以上、５×１０１９ｃｍ―３以下のｐ型のドーパントが添加されていることが好ましい。ｐ型のドーパントの濃度が１×１０１８ｃｍ―３以上であると井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光の吸収効率が増加するからであり、また、ｐ型のドーパントの濃度が５×１０１９ｃｍ―３以下であると、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂの結晶品質が良好となるからである。ｐ型のドーパントとしては、例えばＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ等を用いることができる。
【００６５】
光吸収層３１、５ｂ、９ｂの厚さｔ３１、ｔ５ｂ、ｔ９ｂは、井戸層３５の厚さｔ３５よりも薄いことが好ましい。例えば、光吸収層３１、５ｂ、９ｂの厚さｔ３１、ｔ５ｂ、ｔ９ｂは、１〜９ｎｍであることが好ましい。光吸収層３１、５ｂ、９ｂの厚さｔ３１、ｔ５ｂ、ｔ９ｂが１ｎｍ以上であると、井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光を十分に吸収できるからであり、また、光吸収層３１、５ｂ、９ｂの厚さｔ３１、ｔ５ｂ、ｔ９ｂが９ｎｍ以下であると、光吸収層３１、５ｂ、９ｂの結晶品質が良好となるからである。なお、発光層７内の第１光吸収層３１の数は特に制限されず、例えば、１層又は２層以上にすることができる。また、第１光ガイド層５内の第２光吸収層５ｂ、及び、第２光ガイド層９ｂ内の第３光吸収層９ｂの数も特に制限されず、２層以上とすることもできる。
【００６６】
光吸収層３１、５ｂ、９ｂの厚さと、井戸層３５の厚さｔ３５の比（ｔ３１／ｔ３５、５ｂ／ｔ３５、あるいは９ｂ／ｔ３５）は、０．３〜０．７であることが好ましい。この比が０．３以上である場合、光吸収層３１、５ｂ、９ｂは井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光の吸収に十分に寄与できるからであり、また、この比が０．７以下である場合、井戸層３５は主に注入されたキャリアの再結合による発光に寄与し、光吸収層３１、５ｂ、９ｂは主に井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光の吸収に寄与するからである。
【００６７】
第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ、第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙ、及び障壁層３４ｂは、例えば、ＩｎＰＧａ１−ＰＮで形成することができる。この場合、Ｉｎの組成Ｐは、０．００１〜０．０５であることが好ましい。Ｉｎの組成Ｐが０．００１以下であると結晶品質が悪化するからであり、Ｉｎの組成Ｐが０．０５以上であると井戸層３５内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られなくなるからである。第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ及び第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙの厚さｔ３３ｘ、ｔ３３ｙは、２〜１０ｎｍであることが好ましい。厚さｔ３３ｘ、ｔ３３ｙが２ｎｍ以上であると、井戸層３５内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからである。また、厚さｔ３３ｘ、ｔ３３ｙが１０ｎｍ以下であると、駆動電圧を低くすることができるからである。なお、第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ及び第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙの厚さｔ３３ｘ、ｔ３３ｙは、第１、第２、及び第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂと井戸層３５の離間距離となる。
【００６８】
本実施形態に係る窒化物半導体レーザ４０のレーザ発振波長は、４２５ｎｍ以上であることが好ましい。レーザ発振波長が４２５ｎｍ未満であると、バンドフィリングによって発振波長が短波長化する傾向が特に弱いため、光吸収層の吸収対象である短波長領域ＲＬの成分の光の量が減少する。そのため本実施形態の窒化物半導体レーザ４０による発振波長の長波長化がほとんど期待できないからである。さらに、窒化物半導体レーザ４０のレーザ発振波長は、４６０ｎｍ以上であることが好ましい。レーザ発振波長が４６０ｎｍ未満であると、バンドフィリングによって発振波長が短波長化する傾向が弱いため、光吸収層の吸収対象である短波長領域ＲＬの成分の光の量が減少する。そのため本実施形態の窒化物半導体レーザ４０による発振波長の長波長化があまり期待できないからである。
【００６９】
次に、本実施形態に係る窒化物半導体レーザの変形例について説明する。図５は、変形例に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図であり、バンド構造を窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造と対応させる形で示している。
【００７０】
図５に示すように、発光層７は障壁層３４と井戸層３５を含むことができる。発光層７は光吸収層を含まない。障壁層３４は、上述の第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ及び第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙと同様の材料で形成することができる。障壁層３４の厚さｔ３４は、５〜２０ｎｍであることが好ましい。厚さｔ３４が５ｎｍ以上であると井戸層３５内へのキャリア閉じ込め効果が十分に得られるからであり。また、厚さｔ３４が２０ｎｍ以下であると、駆動電圧を低くすることができるからである。
【００７１】
第１光ガイド層５は、第１光吸収層５ｂと第１ＩｎＧａＮガイド部５ａを含む。第１光吸収層５ｂは、第１ＩｎＧａＮガイド部５ａと発光層７との間に位置する。第２光ガイド層９は、第２光吸収層９ｂと第２ＩｎＧａＮガイド部９ａを含む。第２光吸収層９ｂは、第２ＩｎＧａＮガイド部９ａと発光層７との間に位置する。第１ＩｎＧａＮガイド部５ａのバンドギャップＥＢは、第１光吸収層５ｂのバンドギャップＥＹよりも大きい（ＥＢ＞ＥＹ）。また、第２ＩｎＧａＮガイド部９ａのバンドギャップＥＢは、第２光吸収層９ｂのバンドギャップＥＹよりも大きい（ＥＢ＞ＥＹ）。また、第１及び第２光吸収層５ｂ、９ｂの厚さと、井戸層３５の厚さｔ３５の比（５ｂ／ｔ３５、あるいは９ｂ／ｔ３５）は、０．３〜０．７であることが好ましい。この比が０．３以上である場合、第１及び第２光吸収層５ｂ、９ｂは井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光の吸収に十分に寄与できるからであり、また、この比が０．７以下である場合、井戸層３５は主に注入されたキャリアの再結合による発光に寄与し、第１及び第２光吸収層５ｂ、９ｂは主に井戸層３５で生成された短波長領域ＲＬの成分の光の吸収に寄与するからである。
【００７２】
このような構成の窒化物半導体レーザ４０であっても、バンドフィリングによる効果が低減される。第１光吸収層５ｂ及び第２光吸収層９ｂは短波長領域ＲＬの波長成分の光を吸収できるので、短波長領域ＲＬの波長成分の光は、レーザ発振には寄与しない。一方、長波長領域ＲＬの波長成分の光は、窒化物半導体レーザ４０の共振器内を伝播する。その結果、長波長領域ＲＨの波長成分の光によってレーザ発振が生じるので、バンドフィリングによる効果を低減することが可能な窒化物半導体レーザ４０が得られる。
【実施例】
【００７３】
以下、実施例１〜３及び比較例１を用いて説明する。
【００７４】
図６は、実施例１〜３に係る窒化物半導体レーザの製造方法の主要な工程のフローチャートを示す図である。フローチャート１００に示すように、実施例１〜３に係る窒化物半導体レーザの製造方法は、半導体ウェハを準備する工程Ｓ１０１、半導体レーザのための半導体積層Ｓ１０３を形成する工程Ｓ１０３、アノード電極及びカソード電極を形成する工程Ｓ１０５、及びウェハを個々の半導体レーザ素子に分離する工程Ｓ１０７を備えている。
【００７５】
（実施例１）
実施例１の窒化物半導体レーザの製造方法を説明する。図７は実施例１の窒化物半導体レーザ４０ａの断面構造を示す模式図である。まず、工程Ｓ１０１において、ｃ面ＧａＮのストライプコアウェハ１を準備した。
【００７６】
ストライプコアウェハ１とは、１×１０７ｃｍ―２以下の貫通転移密度を有する第１領域１ａと、１×１０７ｃｍ―２以上の貫通転移密度を有する第２領域１ｂとからなるウェハである。第１領域１ａ及び第２領域１ｂは、それぞれ低貫通転移領域及び高貫通転移領域と呼ばれる。第１領域１ａ及び第２領域１ｂは、ストライプコアウェハ１の裏面１ｙから主面１ｘまで延びている。また、第２領域１ｂは、第１領域１ａに沿って延びており、また、ストライプコアウェハ１を構成する六方晶系ＧａＮ結晶のｍ軸方向に延びている。
【００７７】
次に、工程Ｓ１０３において、ストライプコアウェハ１の主面１ｘ上に、下記のような条件で半導体層のエピタキシャル膜を順にＭＯＣＶＤ法によって成長した。
下部クラッド層２：ｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、２３００ｎｍ、成長温度摂氏１１５０度。
下部光ガイド層３：ｎ型ＧａＮ、５０ｎｍ、成長温度摂氏１１５０度。
第１光ガイド層５：第３ＩｎＧａＮガイド部５ａ、第２光吸収層５ｂを積層。
第３ＩｎＧａＮガイド部５ａ：アンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、５０ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
第２光吸収層５ｂ：Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ、１．５ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
発光層７：障壁層３４ａ、３４ｂと井戸層３５を交互に成長。
障壁層３４ｂ：Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、７ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
井戸層３５：Ｉｎ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、３ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
障壁層３４ａ：第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ、第１光吸収層３１、及び第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙを順に積層。
第１ＩｎＧａＮ障壁部３３ｘ：Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、７ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
第１光吸収層３１：Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ、１．５ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
第２ＩｎＧａＮ障壁部３３ｙ：Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、７ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
光ガイド層９：第３光吸収層９ｂと第４ＩｎＧａＮガイド部９ａを順に積層。
第３光吸収層９ｂ：Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ、１．５ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
第４ＩｎＧａＮガイド部９ａ：Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ、１．５ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
上部光ガイド層１１：アンドープＧａＮ、５０ｎｍ、成長温度摂氏１１００度。
電子ブロック層１２：ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ、２０ｎｍ、成長温度摂氏１１００度。
上部クラッド層１３：ｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、４００ｎｍ、成長温度摂氏１１００度。
上部コンタクト層１５：ｐ型ＧａＮ、５０ｎｍ、成長温度摂氏１１００度において成長。
【００７８】
このような半導体層を成長させると、ストライプコアウェハ１の第２領域１ｂ（高転移領域）上に、下部クラッド層２から上部コンタクト層１５まで、各層の積層方向に沿った高転移領域が形成された。また、ストライプコアウェハ１の第１領域１ａの貫通転移密度は１×１０７ｃｍ―２以下であるため、第１領域１ａ上には良好な結晶品質の半導体膜がエピタキシャル成長した。
【００７９】
工程Ｓ１０５においては、電極を形成した。まず、上部コンタクト層１５上に、コンタクトウィンド２３ａを有する絶縁層２３を形成した。この際、下部クラッド層２から上部コンタクト層１５までの各層に形成された高転移領域にコンタクトウィンド２３ａが沿うようにした。これにより、後述のように窒化物半導体レーザの共振器をｍ軸方向に容易に向き付けさせることができた。コンタクトウィンド２３ａは、図７のＸ軸に沿った方向に延びている。コンタクトウィンド２３ａの幅は１０μｍであり、長さは６００μｍである。
【００８０】
続いて、絶縁層２３とコンタクトウィンド２３ａ上に、Ｎｉを１０ｎｍ、Ａｕを３００ｎｍ形成し、アノード１７を形成した。
【００８１】
続いて、ストライプコアウェハ１の裏面１ｙを削ってウェハを薄くした。その後、ストライプコアウェハ１の裏面１ｙにＴｉ３０ｎｍ、Ａｌ１００ｎｍ、Ａｕ３００ｎｍからなるカソード電極層２１を形成した。
【００８２】
次に、工程Ｓ１０７において、ストライプコアウェハ１の劈開及び切断を行い、ストライプコアウェハ１を個々の半導体レーザ素子に分離した。図７においては、窒化物半導体レーザ４０ａのＸ軸と交差する２つの面が劈開面となるように示している。この２つの面、及び２つの面間の光導波路は、窒化物半導体レーザ４０ａの共振器を構成する。
（実施例２）
【００８３】
図８は実施例２の窒化物半導体レーザ４０ｂの断面構造を示す模式図である。実施例２は、発光層７の構造において、実施例１と異なる。実施例２は発光層７以外の構造は実施例１と同じである。実施例２の発光層を以下のような構造とした。
発光層７：障壁層３４と井戸層３５を交互に成長。
障壁層３４：Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、１５ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
井戸層３５：Ｉｎ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、３ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
【００８４】
（実施例３）
図９は実施例３の窒化物半導体レーザ４０ｃの断面構造を示す模式図である。実施例３では、半導体層が成長するウェハの構造が、実施例１と異なる。実施例３はウェハの構造以外は実施例１と同じである。工程Ｓ１０１において、ストライプコアのないｃ面Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎウェハ１を準備した。
【００８５】
（比較例１）
図１０は比較例１の窒化物半導体レーザ４０ｄの断面構造を示す模式図である。比較例１は、発光層７、光ガイド層５、及び光ガイド層９の構造において、実施例１と異なる。比較例１は、これらの層以外の構造は実施例１と同じである。比較例１の発光層７、光ガイド層５、及び光ガイド層９を以下のような構造とした。
光ガイド層５：アンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、５０ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
発光層７：障壁層３３と井戸層３５を交互に成長。
障壁層３３：Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、１５ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
井戸層３５：Ｉｎ０．２３Ｇａ０．７７Ｎ、３ｎｍ、成長温度摂氏７８０度。
光ガイド層９：アンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、５０ｎｍ、成長温度摂氏８４０度。
【００８６】
上述のように製造した実施例１〜３、及び比較例１の窒化物半導体レーザ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、及び４０ｄについて、電流密度０．１ｋＡ／ｃｍ２の条件で、ＬＥＤモードにおける発光スペクトルがピーク強度を有する波長λＸ、レーザ発振波長、及びレーザ発振閾値電流を測定した。すると、以下のような結果が得られた。
実施例１：波長λＸ＝４８０ｎｍ、レーザ発振波長＝４７０ｎｍ、レーザ発振閾値電流＝５００ｍＡ
実施例２：波長λＸ＝４８０ｎｍ、レーザ発振波長＝４７０ｎｍ、レーザ発振閾値電流＝５００ｍＡ
実施例３：波長λＸ＝５３０ｎｍ、レーザ発振波長＝５２０ｎｍ、レーザ発振閾値電流＝１０００ｍＡ
比較例１：波長λＸ＝４８０ｎｍ、レーザ発振波長＝４４２ｎｍ、レーザ発振閾値電流＝３００ｍＡ
【００８７】
これらの結果より、本発明の実施例においては、比較例と比較して、波長λＸとレーザ発振波長の値が近くなった。これにより、本発明の実施例に係る窒化物半導体レーザ４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおいては、第１、第２、第３光吸収層３１、５ｂ、９ｂがＬＥＤモードにおける短波長領域ＲＬ（図４参照）の波長成分の光を吸収したので、長波長領域ＲＨの波長成分の光によってレーザ発振が生じたと考えられる。そのため、本発明の実施例に係る窒化物半導体レーザ４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおいては、バンドフィリングによる効果が低減されることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】実施形態に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍の断面構造を示す模式図である。
【図３】実施形態に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図である。
【図４】窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける発光スペクトルを示す図である。
【図５】変形例に係る窒化物半導体レーザの発光層近傍のバンド構造を示す図である。
【図６】実施例及び比較例に係る窒化物半導体レーザの製造方法の主要な工程を示すフローチャートを示す図である。
【図７】実施例に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図８】実施例に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図９】実施例に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図１０】比較例に係る窒化物半導体レーザの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
２・・・下部クラッド層（第１導電型窒化ガリウム系半導体層）、５・・・第１光ガイド層、７・・・発光層、９・・・第２光ガイド層、１３・・・上部クラッド層（第１導電型窒化ガリウム系半導体層）、３１・・・第１光吸収層、３４、３４ａ、３４ｂ・・・障壁層、３５・・・井戸層、４０・・・窒化物半導体レーザ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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