(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層を少なくとも含んだメサ型積層構造体を設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のクラッド層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに絶縁物からなる電流ブロック層が設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項２】
基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層を少なくとも含んだメサ型積層構造体を設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のクラッド層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに絶縁物からなる電流ブロック層が設けられ、前記２本の溝をまたぐように電極パッドが設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項３】
基板上に設けられた第１導電型のコンタクト層と、この第１導電型のコンタクト層上に設けられ第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層、第２導電型のコンタクト層を少なくとも含んだメサ型積層構造体とを設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のコンタクト層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに絶縁物からなる電流ブロック層が設けられ、前記第１導電型のコンタクト層上に第１のコンタクト電極が設けられ、前記２本の溝の間に第２のコンタクト電極が設けられ、前記２本の溝をまたぐように電極パッドが設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項４】
前記電流ブロック層は、前記第２導電型のクラッド層に達する深さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項５】
前記電流ブロック層は、前記第１導電型のクラッド層に達する深さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項６】
前記積層構造体は、前記第１導電型のクラッド層の下に第１導電型のコンタクト層をさらに有し、前記電流ブロック層は、前記第１導電型のコンタクト層に達する深さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項７】
前記電流ブロック層を構成する前記絶縁物は、ポリイミドであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の窒化物化合物半導体レーザ。
【請求項８】
基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層を少なくとも含んだメサ型積層構造体を設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のクラッド層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる電流ブロック層が設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項９】
基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層を少なくとも含んだメサ型積層構造体を設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のクラッド層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる電流ブロック層が設けられ、前記２本の溝をまたぐように電極パッドが設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項１０】
基板上に設けられた第１導電型のコンタクト層と、この第１導電型のコンタクト層上に設けられ第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層、第２導電型のコンタクト層を少なくとも含んだメサ型積層構造体とを設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のコンタクト層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる電流ブロック層が設けられ、前記第１導電型のコンタクト層上に第１のコンタクト電極が設けられ、前記２本の溝の間に第２のコンタクト電極が設けられ、前記２本の溝をまたぐように電極パッドが設けられたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１、２、８、または９記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザであって、前記積層構造体は、前記第１導電型のクラッド層の下に第１導電型のコンタクト層をさらに有し、前記２本の溝の間隔Ｗ１と前記第１導電型のコンタクト層の膜厚Ｗ２との関係が、Ｗ１≦４・Ｗ２となることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザであって、前記活性層は多重量子井戸構造であることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物化合物半導体材料を用いた半導体素子に係わり、特に窒化ガリウム系青紫色半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は高密度光ディスクシステム等への応用を目的とした短波長半導体レーザの材料として注目されている。発振波長の短いレーザ光は集光サイズを小さくできるので記録密度を高めるためには有効であるからである。
【０００３】
抵閾値電流で半導体レーザを発振させるためには、活性層へのキャリア注入を効率良く行うことが必要であり、ヘテロ接合を有するｐｎ接合と電流狭窄構造の形成が重要である。また、光ディスクのピックアップ光源として用いられる半導体レーザでは発振モードの制御が必要であり、活性層からはみ出したレーザ光を適度に吸収させ屈折率差を大きくするとともに吸収により高次モードの利得を減少させ安定な基本横モード発振を起こす構造の形成が重要である。
【０００４】
しかしながら、窒化物化合物半導体レーザにおいては、電極ストライプ構造またはｐ型半導体層のみリッジ構造に形成した所謂利得導波構造レーザしか報告されていない。一方、バルク活性層に対し多重量子井戸構造活性層は閾値電流密度を低減できることが、ＩｎＧａＡｌＰ系等の従来の材料系で知られており、窒化物化合物半導体レーザでは当初より多重量子井戸構造活性層が用いられたが、これに反して未だ閾値電流が高く、動作電圧も高いために消費電力が大きくなり寿命が短いばかりか、発振したレーザ光はノイズが大きく光ディスクシステムに適用できない。また、従来の利得導波型半導体レーザは数ｍＷ程度の光出力しか実現できないために、光ディスクシステムの消去・記録用に必要な３０ｍＷ以上の高出力半導体レーザには適していない。
【０００５】
これは、量子井戸活性層へ高密度で高効率のキャリア注入が難しいことと、低雑音特性のための基本横モード制御ができる構造を形成することが難しいことと、さらに複数の半導体レーザを容易に集積できないためである。即ち、基本横モード利得のみを得られる適当な吸収領域を形成しながら、電極から活性層へ電流を広げずに狭窄したまま基本横モード利得に必要な高電流密度で活性層にキャリア注入することが困難であった。また、電流狭窄領域と吸収領域を交互に形成することが難しいために、複数の窒化物化合物半導体レーザを集積することが困難であった。
【０００６】
このように、光ディスク等への実用に供する低閾値電流、低電圧で動作し、基本横モードで連続発振する信頼性の高い窒化ガリウム系青紫色半導体レーザを実現するためには、活性層へのキャリア注入を効率的に行うと共に高次モードを吸収する様な構造を形成することが重要であるが、未だこれらを満足する構成は得られていないのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来、窒化物化合物半導体を用いた半導体レーザでは、基本横モード制御が可能な電流狭窄構造を形成することが難しく、雑音特性が悪いばかりか活性層へ高密度でキャリア注入を行うことができず、低閾値電流、低動作電圧、低雑音特性、高光出力の素子を実現する事が困難であった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、基本横モード制御構造の形成が容易であるばかりか、活性層へ高密度でキャリア注入を行うことができる電流狭窄構造により、低閾値電流、低動作電圧、低雑音特性で信頼性の高い、窒化物化合物半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明は、次のような構成を採用している。即ち、基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電層のクラッド層を少なくとも含んだメサ型積層構造体を設けてなりフリップチップマウントされる窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａｘＩｎｙＡｌｚＮ：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）レーザであって、前記メサ型積層構造体の前記第２導電型のクラッド層の側の主面に少なくとも２本の溝が並設され、この溝のそれぞれに絶縁物或いは第１導電型の窒化ガリウム系化合物からなる電流ブロック層が設けられたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、本発明の望ましい実施形態としては次のようなものが挙げられる。（１）電流ブロック層は、有機性絶縁膜、酸化膜、またはメサ型電流狭窄構造とは導電性の異なる窒化ガリウム系化合物半導体であること。
（２）活性層は多重量子井戸構造であること。
（３）該電流狭窄構造の幅Ｗ１と活性層下部の導電型の異なり電極金属と接する半導体層の膜厚Ｗ２との関係が、
Ｗ１≦４・Ｗ２
となること。
（４）メサ型電流狭窄構造が複数あること。
【００１２】
本発明によれば、窒化物化合物半導体レーザにおいて、該活性層の上部にメサ型の電流狭窄構造を設け、さらにメサ型電流狭窄構造の側面に電流ブロック層を設けることにより、低閾値電流、低動作電圧、低雑音特性で高信頼性の連続発振が可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示の実施例を参照しつつ説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を表す断面図である。図中、１０１はサファイア基板、ＬＳは、基板１０１の上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体である。すなわち、積層構造体ＬＳにおいて、１０２はＧａＮバッファ層、１０３はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、不純物濃度５×１０１８ｃｍ-3、層厚４μｍ）、１０４はｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０１８-3、０．３μｍ）、１０５はＧａＮ導波領域（アンドープ、０．１μｍ）と量子井戸構造の活性領域とｐ型ＧａＮ導波領域（Ｍｇドープ、０．１μｍ）が積層されてなるＳＣＨ−ＭＱＷ(Separate Confinement Heter o-structure multi-Quantum Well) 活性層（ここで、活性領域は、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層（アンドープ、２ｎｍ）とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）とのペアーが１０周期積層された量子井戸構造を有する）、さらに、１０６はｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、１０７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、１μｍ）である。
【００１４】
また、１０８はＳｉＯ2 絶縁膜、１０９はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造のｐ側電極、１００はＣｒ／Ａｕ構造のｐ電極パッド、１１２はＴｉ／Ａｕ構造のｎ側電極、１１３はＣｒ／Ａｕ構造のマウント用膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートが施されている。
【００１５】
本発明によれば、積層構造体ＬＳの表面に２本の略平行な溝が形成され、その溝に絶縁物あるいは半導体材料が埋め込まれて形成された電流ブロック層１１１が設けられている。電流ブロック層１１１を形成する絶縁物材料としては、絶縁物としては、例えば、ポリイミドを用いることができる。また、電流ブロック層１１１を形成する半導体材料としては、例えば、ｎ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌx Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）などを挙げることができる。すなわちｎ型半導体を用いることにより、ｐｎ接合を形成して効果的に電流を狭窄することができる。
【００１６】
ポリイミドで埋め込まれた電流ブロック層１１１は、電流を阻止して狭窄する層として動作するとともに、光閉じこめ領域としても機能する。ポリイミドは、波長４００から４５０ｎｍ帯において、光吸収率が９０〜６０％と高いために、高次モードを抑制するための光閉じ込め領域として極めて適している。
【００１７】
また、電流ブロック層１１１の材料として例えばｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層を用いた場合には、この材料が発振波長に対して透明であり、高次の横モード光を効果的に吸収して、基本横モード発振を得ることができるようになる。
【００１８】
ここで、図１に示したように、電流ブロック層１１１の深さは、ｐ型クラッド層１０６の中で、活性層１０５の近傍まで達するように深く形成することが望ましい。その理由は、電流ブロック層１１１をｐ型クラッド層１０６の深くまで形成した方が、注入された電流の横方向への拡散をより効果的に抑制し、また、高次モード光もより効果的に吸収することができるからである。
【００１９】
つまり、ｐ型クラッド層１０６の活性層１０５寄りまで電流ブロック層１１１を形成することにより、横方向への電流経路を遮断して、電流を効果的に狭窄することができ、基本横モード発振もより促進することができる。
【００２０】
次に、上記窒化物化合物半導体レーザの製造方法について、図２Ａ〜図２Ｆの工程断面図を参照しつつ説明する。ここでは、電流ブロック層１１１の材料としてポリイミドを用いた場合について例示する。
【００２１】
ます、図２（ａ）に示す様に、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と略す）でサファイア基板上に、ＧａＮバッファ層１０２からｐ型ＣａＮコンタクト層１０７までを成長する。次に、ｎ電極形成のために結晶成長した半導体層の一部の領域をｎ型ＧａＮコンタクト層１０３までエッチングしメサ型を形成する。特に図示していないが、ＧａＮバッファ層１０２は５５０℃で３０ｎｍ堆積させた後に１１００℃で１μｍ成長させた２層構造とすることで、平坦で結晶欠陥の少ない窒化物化合物半導体層をその上に成長できる。
【００２２】
次いで、図２（ｂ）に示す様に、ウェハ全面にＳｉＯ2 絶縁膜１０８を９００ｎｍ堆積し、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の一部にＴｉ／Ａｕ構造ｎ側電極１１２を形成する。ｎ側電極１１２は後に形成されるストライプ状の電流狭窄構造に対し平行で、且つ間隔が１０μｍ以下の位置に形成することが望ましい。さらにｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の膜厚が２μｍ以上で、且つそのキャリア濃度が２×１０１８ｃｍ-3以上であれば、光出射領域とｎ側電極との間の素子抵抗成分とｎ電極の接触抵抗成分とを合わせて１Ω以下に抑制することが可能であり、低電圧で半導体レーザの駆動ができるようになる。
【００２３】
次いで、図２（ｃ）に示す様に、メサ型上部にＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）積層構造のｐ側電極１０９と層厚が１μｍのニッケル（Ｎｉ）からなるＮｉドライエッチングマスク９１０を３μｍの幅のストライプ状に形成する。このｐ側電極１０９とＮｉドライエッチングマスク９１０の幅は２μｍから８μｍまでの範囲が望ましい。
【００２４】
次いで、図２の（ｄ）で示す様に、フォトレジスト９１２を用いてｐ側電極１０９とＮｉドライエッチングマスク９１０の両側に幅１０μｍの開口部を設ける。
さらに、塩素ガスを含むドライエッチング法によりｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０６まで電流狭窄構造のため溝Ｇを形成して、フォトレジスト９１２及びＮｉドライエッチングマスク９１０を剥離する。ここで、ドライエッチング法による溝Ｇの形成における側面の角度θは９０゜が望ましい。しかし、θが９０゜以上１３５゜以下の範囲であれば、活性層１０５への電流注入の幅はｐ電極１０９の幅Ｗに対して０μｍから＋２．６μｍの誤差範囲にあるので、閾値電流の上限は最大で２倍程度に抑制することができる。
【００２５】
また、電流ブロック層の間隔Ｗ１と横モードとの関係について調べた結果、間隔Ｗ１を８μｍ以下とすると基本モードが生じやすい傾向がみられた。従ってＷ１が８μｍ以下となるように、溝Ｇ、Ｇの間隔を決定することが望ましい。
【００２６】
一方、サファイア基板１０１の上の窒化ガリウム系結晶層の成長に際しては、２μｍ以上とすることにより結晶の歪みが緩和され、平坦な結晶層が得られる傾向がみられた。
【００２７】
さらに、電気抵抗の観点からみると、ｐ型層に比べてｎ型層は、１桁以上シート抵抗が高い。そして、電流ブロック層の間隔がｎ型ＧａＮコンタクト層１０３の層厚Ｗ２の４倍以下となる関係を満たせば、ｎ側の素子抵抗がレーザ発振時の動作電圧や消費電力等の特性に実質的に影響しないことがないことが分かった。具体的には、Ｗ１をＷ２の４倍以下とすれば、半導体レーザの動作電圧に寄与する抵抗成分の比率は、ｐ側：ｎ側＝１０：１程度となり、素子のｎ側の抵抗成分は、ｐ側の抵抗成分に比べて無視出来る程度に小さく、素子抵抗はｐ型層の抵抗成分によって一意的に決定される。
【００２８】
以上の検討結果から、電流ブロック層の間隔Ｗ１とｎ型ＧａＮコンタクト層の層厚Ｗ２との関係として、Ｗ１≦４・Ｗ２なる条件を満たす場合に、サファイア基板の上に良質な窒化ガリウム結晶層を成長でき、基本横モードも抑制することができ、さらに素子抵抗も十分に低減することができるようになることが分かった。
【００２９】
さらに、本発明によれば、伝流注入の幅はセルフアラインプロセスでｐ電極１０９の幅により決定されるので、狭い電流狭窄構造の形成に適している。つまり、電流注入の幅が狭い電流狭窄構造においても、ｐ電極１０９の接触面積を最大化させることが出来、その結果として電極接触部の抵抗の増大を防ぐことができるという利点がある。
【００３０】
次いで、図２（ｅ）に示す様に、ｎ側電極１１２の上部を除くウェハ全面にポリイミドをコーティングし、酸素アッシング法でｐ側電極１０９が露出するまでエッチングする。このようにして、溝Ｇにポリイミドを埋めこんで電流ブロック層１１１を形成することができる。この程度では感光性ポリイミドを用いると容易である。しかし、ウェハ全面にポリイミドをコーティングし、通常のリソグラフィ工程を用いてｎ側電極１１２上部のみ露出させるようにしても良い。
【００３１】
また、電流ブロック層１１１の材料としてｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎを用いる場合には、ポリイミドの代わりにｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層をウェーハ全面に堆積し、ｐ側電極１０９が露出するまでエッチングすればよい。このようにして、溝Ｇにｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層を埋めこんだ電流ブロック層１１１を形成することができる。
【００３２】
ここで、ＳｉＯ2 絶縁膜１０８の側面や上面に、またはｎ側電極１１２の一部領域にポリイミドなどの材料が残っても、配線に問題が生じなければ素子特性に悪影響を与えないことは言うまでもない。また、電流ブロック及び光閉じこめのための層１１１は、ポリイミドやｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎの替わりに、その他の絶縁物やｎ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌx Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）であっても構わない。
【００３３】
次いで、図２（ｆ）に示す様に、ワイアボンディングまたはフィリップチップマウントのためのｐ電極パッド１１０を形成する。次いで、サファイア基板１０１裏面を鏡面研磨して基板１０１の厚さを５０μｍする。さらに、Ｃｒ／Ａｕ積層構造のマウント用膜１１３を形成する。そして、基板に対して垂直な面に沿って劈開する。その劈開面には特に図示しないがＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施す。さらに、図１に示したように、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化硼素またはダイヤモンド等の熱伝導性の高いヒートシンク１２０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等をメタライズした層１２１に対して、金・スズ（ＡｕＳｕ）共晶半田１２２を用いてマウントする。尚、電流注入のための配線１２３ａ，１２３ｂは金（Ａｕ）線またはアルミニウム（Ａｌ）線を用いる。
【００３４】
本実施例による半導体レーザは、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流６０ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．２Ｖで室温で連続発振した。さらに５０℃、３０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上、２０℃から７０℃における相対強度雑音は−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。本レーザの場合、ｐ側電極１０９に対してセルフアラインにｐ−ＡＩ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０６までの深さの電流狭窄構造を形成することによって、ｐ型層における電流の横方向拡散を抑制し、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０５へのキャリア注入効率を高めることができるばかりか、ポリイミドで電流ブロック層１１１を形成することで良好な光閉じ込め領域を形成し高次モードを抑制できる。また、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１０５はＳｉＯ2 絶縁膜１０８とＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 多層構造高反射コートにより完全に覆われている構造にすることで表面リーク電流を抑制できる。従って、低電流注入で室温連続発振し、さらに低雑音特性が得られた。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図３は本発明の第２の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する断面図である。図中、２０１はサファイア基板であり、ＬＳは、その上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体である。
すなわち、積層構造体ＬＳにおいて、２０２はＧａＮバッファ層、２０３はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０１８ｃｍ-3、４μｍ）、２０４はｎ型Ａ１0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０５はＧａＮ導波領域（アンドープ、０．１μｍ）上にＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造活性領域、さらにｐ型ＧａＮ導波領域（Ｍｇドープ、０．１μｍ）が積層されてなるＳＣＨ−ＭＱＷ(Separ ate Confinement Hetero-structure Multi-Quantum Well) 活性層、２０６はｐ−Ａ１0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０７はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、１μｍ）である。
【００３６】
また、２０８はＳｉＯ2 絶縁膜、２０９はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造ｐ側電極、２１０はＣｒ／Ａｕ構造ｐ電極パッド、２１１は電流ブロック層、２１２はＴｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、２１３はＣｒ／Ａｕ構造マウント用膜である。また、特にしていないが、レーザ光取射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００３７】
本実施例が図１で示される本発明の実施例１に対して異なる点は、電流ブロック及び光閉じ込めのための層２１１が、図３（ａ）の場合ｎ型Ａ１0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層２０４まで、図３（ｂ）の場合ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３まで、それぞれ達していることにある。製造工程においてドライエッチングの時間を調節することにより、層２１１の深さを調節することができる。製造工程の概略を説明すると、まず、ＭＯＣＶＤ法でサファイア基板上にＧａＮバッファ層２０２からｐ型ＧａＮコンタクト層２０７までを成長し、次に溝を形成し、さらにポリイミドなどの絶縁物を埋め込むことにより、図示した半導体レーザを製造することができる。具体的な製造工程は、ほぼ前述の実施例１と同様であるので省略する。
【００３８】
ここで、図（ａ）に示したように、電流ブロック層２１１をｎ型Ａ１0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層２０４に達するまで形成した場合には、図１に示した素子よりもさらに電流の狭窄を効果的に達成することができる。また活性層２０５をブロック層２１１によって分離することができるので、基本横モード発振を容易に生じさせることができる。但し、この場合には、ｎ型層２０４とブロック層２１１とが接触するので、ブロック層２１１の材料としては、ポリイミドなどの絶縁物を用いることが望ましい。
【００３９】
一方、図３（ｂ）に示したように、電流ブロック層２１１をｎ型ＧａＮコンタクト層２０３まで形成した場合には、電極を介して注入された電流がさらに効果的に狭窄される。基板の材料として導電性のＳｉＣなどを用いた場合には、ｎ側電極を図示したように基板２１３に対して上側に設けるのではなく。基板の下側に設けることができる。このような場合には、特に図３（ｂ）の構成によって効果的に注入電極を狭窄することができる。
【００４０】
図３（ａ）に示した構造の半導体レーザの試算の結果、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流５５ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．１Ｖで室温連続発振した。さらに５０℃、３０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上、２０℃から７０℃における相対強度雑音は−１４５ｄＢ／Ｈｚ以下であった。本レーザの場合、ｐ側電極２０９を用いてｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層２０４までの電流狭窄構造を形成せいすることによって電流の横方向拡散を抑制し、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２０５へのキャリア注入効率を高めることができる。また、波長４００から４５０ｎｍ帯において、光吸収率が９０〜６０％と高いポリイミドを用いることにより、効果的に光閉じこめ領域を形成して高次モードを効果的に抑制できる。さらに、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２０５はＳｉ０2 絶縁膜２０８とＴｉ０2 ／ＳｉＯ2 多層構造高反射コートにより完全に覆われている構造にすることで表面リーク電流を抑制できる。従って、低電流注入で室温連続発振し、さらに低雑音特性が得られた。
【００４１】
また、ｐ側電極２０９の形成に際してパターンのずれなどによって、ｐ側電極がｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ電流ブロック層２１１に接触して形成されても、ポリイミドなどの絶縁物を用いるので閾値電流の大幅な増大は起こらなかった。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
図４は本発明の第３の実施例に係わる窒化ガイウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する断面図である。同図中、３０１はサファイア基板であり、ＬＳは、その上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体である。
【００４３】
積層構造体ＬＳにおいて、３０２はＧａＮバッファ層、３００はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０１８ｃｍ-3、４μｍ）、３０４はｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０５はＧａＮ導波領域（アンドーア、０．１μｍ）上にｌｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造活性領域、さらにｐ型ＧａＮ導波領域（Ｍｇドープ、０．１μｍ）が積層されてなるＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Hetero-structure Multi-Quantum Well）活性層、３０６はｐ型Ａl 0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3１μｍ）である。
【００４４】
また、３０８はＳｉＯ2 絶縁膜、３０９はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造ｐ側電極、３１０はＣｒ／Ａｕ構造ｐ電極パッド、３１１は電流ブロック層、３１２はＴｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、３１３はＣｒ／Ａｕ構造のマウント用膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００４５】
本実施例が図１で示される本発明の実施例１に対して異なる点は、電流ブロック３１１を４箇所設けている点である。これにより、電流注入領域及びレーザ出射口は３個所形成され、いわゆる「マルチ・ビーム型」のレーザ素子を形成することができる。この半導体レーザの製造工程は本発明の実施例１と概略同様であるので省略する。ここで、電流ブロック及び光閉じ込めのための層３１１は本発明の第１の実施例と同様にポリイミドなどの絶縁物やｎ−Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）となる任意の組成の半導体材料を用いることが出来る。
【００４６】
本発明の実施例３によれば、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流１８０ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．６Ｖで室温連続発振した。さらに最大光出力は１００ｍＷであった。本レーザの場合、本発明の実施例１と比較して電流ブロック及び光り閉じ込めのための層を複数とすることで、電流注入領域、及びレーザ出射口が複数となりさらなる高光出力特性が得られた。このように、高光出力が容易に得られるので本実施例によれば、高出力のレーザ・ポインタなどを容易に実現することが出来る。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。
図５は本発明の第４の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する断面図である。同図中、５０１はサファイア基板であり、ＬＳは、その上に、形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体である。積層構造体ＬＳにおいて、５０２はＧａＮバッファ層、５０３はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０１８ｃｍ-3、４μｍ）、５０４はｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、５０５はＧａＮ導波領域（アンドーア、０．１μｍ）上に１ｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挟むＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造活性領域、さらにｐ型ＧａＮ導波領域（Ｍｇドープ、０．１μｍ）が積層されてなるＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Hetero-structure Multi-Quantum Well）活性層、５０６はｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、５０７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3１μｍ）である。
【００４８】
また、５０８はＳｉＯ2 絶縁膜、５０９Ａ、５０９ＢはＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造ｐ側電極、５１０Ａ、５１０ＢはＣｒ／Ａｕ構造ｐ電極パッド、５１１Ａ、５１１Ｂは電流ブロック層、５１２はＴｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、５１３はＣｒ／Ａｕ構造のマウント用膜である。また、特に図示していないが、レーザ光射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００４９】
本実施例も図４に示した第３実施例と同様に３以上の電流ブロック層５１１Ａ、５１１Ｂを有する。本実施例が第３実施例と異なる点は、電流ブロック層５１１Ａ、５１１Ｂ同士の間隔が一定でない点にある。すなわち、本実施例においては、ｐ側電極５０９Ａの両側の電流ブロック層５１１Ａ、５１１Ａの間隔が広く、ｐ側電極５０９Ｂの両側の電流ブロック層５１１Ｂ、５１１Ｂの間隔が狭い。また、本実施例においては、これらの間隔の異なるｐ側電極５０９Ａ、５０９Ｂが分離して形成され、それぞれ別の電極パッド５１０Ａ、５１０Ｂに接続されている。
【００５０】
本実施例によれば、このように、マルチビーム・レーザのそれぞれの電流ブロック層５１１Ａ、５１１Ｂの間隔を異なるものとすることにより、それぞれのレーザを異なる用途に用いることができるようになる。
【００５１】
例えば、ｐ側電極５０９Ａの両側の電流ブロック層５１１Ａ、５１１Ａの間隔を約８μｍ程度とすれば、約２０〜３０ｍＷの光出力が得られ、光ディスク・システムのデータ書き込み用の光源として用いることができる。一方、ｐ側電極５０９Ｂの両側の電流ブロック層５１１Ｂ、５１１Ｂの間隔を、例えば約２μｍとすれば、光ディスク・システムのデータ読み取り用に適した低出力の基本横モード発振のレーザ光を低電流駆動条件で得ることができる。すなわち、ひとつの半導体レーザチップで、光ディスクの読み取りと書き込みが実現できるようになり、システムの光学系をコンパクトにすることができるようになる。この場合に、電流ブロック層の間隔の広いレーザ部分の活性層の層厚を、電流ブロック層の間隔の狭いレーザ部分の活性層の層厚と比べて厚くすると、高出力用レーザの光出をさらに増大することができる。
【００５２】
本実施例によれば、ひとつの半導体レーザ素子の中に複数のレーザ部分をアレイ状に並べることができ、高出力のレーザ・ポインタや、レーザを用いたディスプレイ装置の実現が可能となる。この場合に、活性層の組成を各レーザ部ごとに調節することにより、ＲＧＢ３色のレーザの集積化も可能となり、１系統の光学レンズを用いたラスター・スキャン式の画像ディスプレイが容易に実現され、特に、屋外での大画面表示も低消費電力で可能となる。
【００５３】
なお、本実施例における電流ブロック５１１Ａ、５１１Ｂも、前述の各実施例の場合と同様に、ポリイミドなどの絶縁物や、ｎ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｎ（ｘ＋ｙ＋＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）などの半導体材料から適宜選択することができる。
【００５４】
次に、本発明の第５の実施例について説明する。
図６は本発明の第５の実施例に係わる窒化ガリウム系青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する断面図である。同図中、６０１はサファイア基板であり、ＬＳは窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造体である。積層構造体ＬＳにおいて、６０２はＧａＮバッファ層、６０３はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、５×１０１８ｃｍ-3、４μｍ）、６０４はｎ型ＡＩ0.15Ｇａ0.85Ｎグラッド層（Ｓｉドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、６０５はＧａＮ導波領域（アンドープ、０．１μｍ）上にＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が１０層とそれを挟むｌｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、４ｎｍ）からなる量子井戸構造活性領域、さらにｐ型ＧａＮ導波領域（Ｍｇドープ、０．１μｍ）が積層されてなるＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Hetero-structure Multi -Quantum Well ）活性層、６０６はｐ型Ａ１０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０１８ｃｍ-3、０．３μｍ）、６０７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、２×１０１７ｃｍ-3、１μｍ）、６１４はｐ+ 型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、２×１０１８ｃｍ-3、０．１μｍ）である。
【００５５】
また、６０８はＳｉＯ2 絶縁膜、６０９はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造ｐ側電極、６１０はＣｒ／Ａｕ構造のｐ電極パッド、６１１は電流ブロック層、６１２はＴｉ／Ａｕ構造ｎ側電極、６１３はＣｒ／Ａｕ構造のマウント用膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施している。
【００５６】
本実施形態が図１で示される本発明の実施例１に対して異なる点は、ｐ型ＧａＮコンタクト層６０７及びｐ+ 型ＧａＮコンタクト層６１４のキャリア濃度が、それぞれ電極の近傍で高くなるように形成された２段階構造になっていることにある。これは、コンタクト層６０７、６１４の形成に際して、不純物の濃度を適宜調節することにより実現することが出きる。その他の製造工程の要部は前述した実施例と概略同様であるので省略する。ここで、電流ブロック及び光閉じ込めのための層６１１は、本発明の第１の実施例と同様にｎ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）となる任意の組成を用いても構わない。
【００５７】
本実施例によれば、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流１８０ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．３Ｖで室温連続発振した。さらに最大光出力は１００ｍＷであった。また、光出力５ｍＷにおける寿命は７０００時間以上であった。本レーザの場合、本発明の実施例１の特性に比べ、ｐ電極との接触抵抗が低減したために動作電圧が低減し、発熱が抑制されることで素子寿命を伸ばすことができた。また、ｐ+ 型ＧａＮコンタクト層６１４をＩｎを含みｐ型ＧａＮよりエネルギーギャップの小さいｐ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｚ≦１、０＜ｙ≦１）とすることで、ｐ型ＧａＮコンタクト層６０７より高キャリア濃度にすることができるので、ｐ+ 型ＧａＮコンタクト層６１４と同様に動作電圧を低減できた。
【００５８】
次に、本発明の第６の実施例について説明する。
図７は、パターニングしたヒートシンクの上に本発明の半導体レーザをフリップ・チップ・マウントした半導体レーザの概略断面図である。同図においては、半導体レーザの一例として、前述した実施例１の窒化ガリウム系青色半導体レーザを示した。
【００５９】
図７に示した半導体レーザ素子においては、サファイア基板１０１の裏面を鏡面研磨して基板の厚さを５０μｍとし、Ｃｒ／Ａｕ構造のマウント用膜１１３を蒸着し、さらに電流狭窄構造に垂直な面で劈開し、その劈開面にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートを施した。ヒートシンク５２０は、Ｃｕ、立方晶窒化硼素またはダイアモンド等の熱伝導性の高い材料により形成され、その表面には、電極分離のための溝ＣＧが形成され、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の電極パターン５２１が選択的にメタライズされている。半導体レーザ素子は、その電極１１０及び１１２が、ヒートシンク５２０の電極パターン５２１の上にそれぞれ接続するように、ＡｕＳｎ共晶、ＡｕＧｅ共晶またはＡｕＳｉ共晶等の半田材１２２を用いてマウントされている。
【００６０】
本実施例によれば、共振器長０．５ｍｍの場合、閾値電流６０ｍＡ、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．２Ｖで室温連続発振した。さらに５０℃、３０ｍＷ駆動における素子寿命は１００００時間以上、２０℃から７０℃における相対強度雑音は−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。本レーザの場合、活性層１０５で発生する熱を直下のヒートシンク５２０から逃がすことができるので放熱性に優れ、素子寿命が向上した。尚、本実施例で用いる半導体レーザ素子としては、前途した本発明のいずれの実施例の半導体レーザでも同様に用いることができ、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００６１】
以上、具体例を図示しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものはない。
例えば、上述した各実施例においては、エッチング後の溝Ｇをポリイミドやｎ型Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）などで埋め込んで電流ブロック層１１１、３１１、４１１、５１１を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。この他にも、電流をブロックできる絶縁物、または半導体の材料を用いて同様の効果を得ることができる。
【００６２】
またｐ側電極、ｎ側電極も各実施例に限定されるものではない。この他にも、例えば、ｐ側電極としてＡｕ−Ｂｅ／Ａｕ、Ａｕ−Ｚｎ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ−Ｚｎ／Ｔｉ／Ａｕ等種々選択でき、ｎ側電極としてＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ／Ａｕ、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ等種々選択できる。さらに夫々の電極のオーミック性を改良する為に、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＧａＮコンタクト層の表面の不純物濃度をイオン注入等を利用して高める工夫を行っても良い。
【００６３】
また、半導体レーザを構成している各半導体層の組成や膜厚も適宜調節することができる。また、その導電型も反転させることができる。また、本発明は、半導体レーザや発光ダイオードなどの発光素子以外にも、フォトダイオードなどの受光素子や光変調素子などの光デバイスに適用が可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、窒化物化合物半導体レーザにおいて、該活性層の上部にメサ型の電流注入層を設け、さらにメサ型電流注入層の側面に電流ブロック層を設けることで、電流狭窄構造の形成が可能であるばかりか、基本横モード制御構造の形成が可能である。これにより、活性層へのキャリア注入を効率的に行うと共に高次モードを抑制することができ、低閾値電流、低動作電圧、低雑音特性で信頼性の高い、窒化物化合物半導体レーザを実現することができ、光ディスクシステム等の光元として要求されるレーザ性能を満たすことが可能となる。
【００６５】
また本発明によれば、セルフアラインプロセスで容易に精度良く電流狭窄構造を形成できる。さらに、同一のプロセスで容易にアレイ化ができるので、光ディスクシステムの消去・記録において要求される高出力レーザも実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係わる図。
【図２】  本発明の第１の実施例の製造工程に係わる図。
【図３】  本発明の第２の実施例に係わる図。
【図４】  本発明の第３の実施例に係わる図。
【図５】  本発明の第４の実施例に係わる図。
【図６】  本発明の第５の実施例に係わる図。
【図７】  本発明の第６の実施例に係わる図であって、第１の実施例のレーザをヒートシンクにマウントした例を示す図。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１…サファイア基板
１０２、２０２、３０２、４０２…ＧａＮバッファ層
１０３、２０３、３０３、４０３…ｎ−ＧａＮコンタクト層
１０４、２０４、３０４、４０４…ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０５、２０５、３０５、４０５…ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
１０６、２０６、３０６、４０６…ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
１０７、２０７、３０７、４０７…ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０８、２０８、３０８、４０８…ＳｉＯ2 絶縁膜
１０９、２０９、３０９、４０９…Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造ｐ側電極
１１０、２１０、３１０、４１０…ｐ電極パッド
１１１、３１１、４１１…ポリイミド
１１２、２１２、３１２、４１２…Ｔｉ／Ａｕ構造ｎ側電極
１１３、２１３、３１３、４１３…Ｃｒ／Ａｕ構造アセンブリ用膜
１２０、５２０…ヒートシンク
【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】
0003946337.tif 000006
【図６】
0003946337.tif 000007
【図７】
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