(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１層と、該第１層よりも禁制帯幅が小さな活性層と、該活性層よりも禁制帯幅が大きな第２導電型の第２層とを有するＩｎＧａＡｌＮ系の半導体レーザであって、該第２層は平坦部とストライプ状凸構造とからなり、該ストライプ状凸構造の上に該第２層よりも屈折率の大きい第２導電型のストライプ状光導波路形成層が形成され、かつ、前記第２層の平坦部の上面と、前記第２層の凸構造の側面と、前記光導波路形成層の側面とを覆う第１導電型または高抵抗の電流狭窄層が形成され、該電流狭窄層の熱膨張係数と前記第２層の熱膨張係数の差が−４×１０−９／℃から＋４×１０−９／℃の範囲内であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２層と前記電流狭窄層が同一の組成からなるＩｎＧａＡｌＮ系半導体材料よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２層がＡｌｘＧａ１−ｘＮからなり、前記電流狭窄層がＡｌｙＧａ１−ｙＮよりなり、かつ−０．０８≦ｘ−ｙ≦０．０８であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記平坦部と前記ストライプ状凸構造により形成されるリッジ角部のなす角度が、１００゜以上１３０゜以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記平坦部と前記ストライプ状凸構造により形成されるリッジ角部のなす角度が、９０゜以上１００゜より小さく、かつ−０．０４≦ｘ−ｙ≦０．０４であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記光導波路形成層はＩｎｕＧａ１−ｕＮからなり、ｕは０．０２以上０．１８以下であり、前記活性層に含まれる井戸層のＩｎ混晶比の９０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２層および前記電流狭窄層の少なくともいずれか一方がＩｎＧａＡｌＮ系の超格子構造により構成されており、かつ該第２層と該電流狭窄層の平均混晶比が同一であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第２層または前記電流狭窄層を構成する超格子構造に含まれる各ＩｎＧａＡｌＮ層の厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特にＩｎＧａＡｌＮ系材料よりなる半導体レーザ素子に関する。
背景技術
ＩｎＧａＡｌＮ系材料は青〜緑色の発光素子用材料として利用されており、中でも屈折率導波型ＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザはレーザビームの波面が平面波に近く、非点隔差を小さくできるために光ディスク用ピックアップへの応用が志向されている。
図４に従来技術による屈折率導波型青色半導体レーザ素子４５０の構造図を示す。この従来技術による素子４５０では、サファイア基板４００上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０１、０．５μｍ厚のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層４０２、１００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ光ガイド層４０３、２．５ｎｍ厚のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ量子井戸層３層と３ｎｍ厚のＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎバリア層４層とからなる多重量子井戸活性層４０４、２５ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ保護層４０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ光ガイド層４０６、厚さ０．１μｍの下部平坦領域４１０と幅２μｍで高さ０．５μｍのリッジストライプ部４１１とを有したトータル０．６μｍ厚のｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層４０７、およびリッジストライプ部４１１におけるｐ型クラッド層４０７の上に形成された幅２μｍで厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層４０８が順に形成されている。ｐ型クラッド層４０７の下部平坦領域４１０の上面およびリッジストライプ部４１１の側面を覆うように、０．３μｍ厚のリッジストライプ部４１１よりも屈折率が小さいＳｉＯ２絶縁膜４０９が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０１の露出面の上にはｎ型電極４１３が形成されており、リッジストライプ部４１１の上のｐ型コンタクト層４０８表面にはｐ型電極４１４が形成されている。また、図中の４１２は、リッジ角部である。
本従来の半導体レーザ素子４５０では、ＳｉＯ２絶縁膜４０９の屈折率がＩｎＧａＡｌＮ材料よりも屈折率が小さいために、リッジ外部の実効屈折率が小さくなって、リッジ領域近傍にレーザ光を導波させる構成となっている。
この従来技術によるＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザ素子４５０に対して、６０℃、５ｍＷの一定出力の条件下で、信頼性試験を実施したところ、約１００時間が経過する間に動作電流は初期の１．２倍以上に増加し故障するに至った。従って、従来技術による半導体レーザ素子の寿命は約１００時間程度であると考えられ、光ディスクへの応用を考えた場合に必要となる５０００時間以上の素子寿命は実現できないことが分かった。
信頼性試験前のレーザ素子と信頼性試験により故障したレーザ素子とを比較解析した結果、故障したレーザ素子ではリッジストライプ部４１１の角部近傍（リッジストライプ部の底辺の両端）領域（リッジ角部４１２）における結晶欠陥の増加が観測された。この結晶欠陥の増加に対応して、このリッジ角部近傍領域４１２に位置する多重量子井戸活性層４０４の発光効率の低下が著しく、これが上記従来の素子４５０の寿命を短くしている主原因であることを、本願発明者らは突き止めた。上記構成からなる従来の素子では、故障後のリッジ角部近傍領域４１２の結晶欠陥密度は６×１０１１〜８×１０１１ｃｍ−２となり、その他の領域の欠陥密度（３〜７×１０１０ｃｍ−２）に比べて一桁程度増加していた。
この結晶欠陥の増加による素子の信頼性悪化は、ＩｎＧａＡｌＮ系結晶自体の原子間の結合が強固であることと、リッジストライプ部４１１を構成する物質（ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層４０７の熱膨張係数（５．６×１０−６／℃）と、リッジストライプ部４１１最下部を取り囲む物質（ＳｉＯ２膜絶縁膜４０９）の熱膨張係数（０．５×１０−６／℃）との差が＋５．１×１０−６／℃と大きいことに起因するものと考えられる。すなわち従来の素子４５０のように両者の熱膨張係数の差が大きい場合には、レーザ素子４５０に通電した際、電流が集中するリッジストライプ部４１１領域近傍に熱が発生し、局所的に温度が上昇する。このような構造のＩｎＧａＡｌＮ系結晶に局所的な温度上昇が発生した場合、リッジ角部４１２において、リッジストライプ部４１１を構成するｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層４０７とリッジストライプ部４１１を取り囲むＳｉＯ２膜絶縁膜４０９との間の熱膨張率の差に起因する熱的歪みが誘起され、このリッジ角部４１２に端を発する結晶欠陥や結晶割れが生じたものと理解される。このような現象は、従来からリッジストライプ型レーザ素子を構成する材料として用いられてきたＩｎＧａＡｌＡｓ系材料やＩｎＧａＡｌＰ系材料では観測されなかった現象であり、ＩＩＩ族原子と窒素原子との間の原子間結合が強いＩｎＧａＡｌＮ系（窒化物系）半導体レーザ素子に特有の現象であった。
発明の開示
本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型の第１層と、該第１層よりも禁制帯幅が小さな活性層と、該活性層よりも禁制帯幅が大きな第２導電型の第２層とから形成されるＩｎＧａＡｌＮ系の半導体レーザであって、該第２層は平坦部とストライプ状凸構造とを有しており、該ストライプ状凸部の上に上記第２層よりも屈折率の大きい第２導電型のストライプ状光導波路形成層が形成され、かつ、上記第２層の平坦部の上面と、上記第２層の凸構造の側面と、上記光導波路形成層の側面とを覆う第１導電型または高抵抗の電流狭窄層が形成され、該電流狭窄層の熱膨張係数と上記第２層の熱膨張系数との差が−４×１０−９／℃から＋４×１０−９／℃の範囲内であることにより構成されている。
このような構成により、電流が集中的に注入されるストライプ状凸構造領域の近傍で局所的に素子の温度が上昇しても、電流狭窄層と第２導電層との熱膨張係数の差が小さいために素子構造の熱的歪みが抑制される。それにより、局所的な結晶欠陥または結晶割れが生じることはなく、レーザ素子の寿命を増大させることができる。
本発明の一実施形態では、上記第２層と上記電流狭窄層とが同一の組成からなるＩｎＧａＡｌＮ系半導体から形成される。例えば、上記第２層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ、上記電流狭窄層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（−０．０８≦ｘ−ｙ≦０．０８）から形成されていてもよい。或いは、本発明の他の実施形態では、上記光導波路形成層はＩｎｕＧａ１−ｕＮからなり、ｕは０．０２以上であり、上記活性層に含まれる井戸層のＩｎ混晶比の９０％以下である。
このような構成により、Ａｌ混晶比に依存して変化する熱膨張係数の値の差を第２層と電流狭窄層との間で小さくでき、それにより素子構造の熱的歪みを低減できる。さらに、光導波路形成層をＩｎｕＧａ１−ｕＮから形成することで、その屈折率を電流狭窄層が配置される第２層の平坦部の屈折率よりも大きくできる。それにより、単一横モードで安定して高出力まで発振するレーザ素子を得ることができ、さらに出力レーザビームの波面がほぼ平面波となり、非点隔差も小さくすることができる。
さらに、本発明の一実施形態では、上記第２層および上記電流狭窄層のいずれか一方が超格子構造により構成されており、該第２層と該電流狭窄層との平均混晶比が同一である。本発明の一実施形態では、その超格子構造を構成する各ＩｎＧａＡｌＮ層の厚さを５０ｎｍ以下にしている。
このような構成により、第２導電層と電流狭窄層との熱膨張係数がほぼ同一となり、リッジ角部における結晶の劣化が抑制されることで、レーザ素子の寿命を増大させることができる。また、超格子を構成する層の厚さを５０ｎｍ以下とすることで、超格子層がリッジ角部１１２に対して与える影響を超格子の平均組成でとらえることができる。
発明を実施するための最良の形態
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。本実施形態のレーザ素子１５０では、ｎ型ＧａＮ基板１００の上に、０．５μｍ厚のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層１０１、５０ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ光ガイド層１０２、２ｎｍ厚のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ量子井戸層３層と３ｎｍ厚のＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎバリア層４層とからなる多重量子井戸活性層１０３、２５ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ保護層（図示せず）、５０ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ光ガイド層１０４、０．１μｍから０．３μｍ厚の下部平坦領域１１１と幅２μｍで高さ０．３μｍから０．１μｍのリッジストライプ部１１０とから形成されるｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型下部クラッド層１０５、０．１５μｍ厚のｐ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型光導波路形成層１０６、０．２μｍ厚のｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型上部クラッド層１０７、０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、リッジストライプ部１１０を埋め込むように形成された０．８μｍ厚のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型電流狭窄層１０９が順に形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面にはｎ型電極１１３が、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８の上面にはｐ型電極１１４が形成されている。
次に本実施形態のレーザ素子１５０の作製方法について説明する。まず、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層１０１、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０２多重量子井戸活性層１０３、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ保護層（図示せず）、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０４、０．４μｍ厚のｐ型下部クラッド層１０５、ｐ型光導波路形成層１０６、ｐ型上部クラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を連続的に成長させた。
統いて、通常のホトリソグラフィー技術に基づき、ＳｉＯ２膜をマスクとして用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、２μｍ幅のリッジストライプ部１１０を残し、それ以外の領域（すなわち下部平坦領域１１１）においてｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｐ型上部クラッド層１０７、ｐ型光導波路形成層１０６を完全に除去し、かつｐ型下部クラッド層１０５の一部を除去するようにエッチングを施した。本実施形態のレーザ素子１５０においては、エッチング時間を調節して、エッチング深さが１．０５μｍとなるように制御した。このエッチング工程においては、実際には、ウェハー上におけるその素子の位置に依存し多少のエッチング深さのばらつきが生じた。本実施例の場合には、エッチング深さは０．９５μｍから１．１５μｍの範囲であった。この時、ｐ型下部クラッド層１０５のリッジストライプ部１１０におけるリッジ形状に加工された高さは０．１μｍから０．３μｍの範囲であり、下部平坦領域１１１におけるｐ型下部クラッド層の残し厚さは０．３μｍから０．１μｍであった。
次に、このようにリッジストライプ部１１０を形成したウェハー上に、リッジストライプ部１１０を覆うＳｉＯ２マスク（図示せず）を付けたまま、再びＭＯＣＶＤ法によりｎ型電流狭窄層１０９を０．８μｍの厚さに形成した。この結晶成長工程において、リッジストライプ部１１０を覆うＳｉＯ２膜上では、単結晶ＡｌＧａＮの結晶成長が抑制される。従って、選択的に下部平坦領域１１１においてのみｎ型電流狭窄層１０９が形成される。その後、ＳｉＯ２膜を除去した。ＳｉＯ２膜の上に多少の多結晶ＡｌＧａＮが付着する場合もあるが、上記の除去工程によりＳｉＯ２膜と同時に多結晶ＡｌＧａＮは完全に除去される。
最後に、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面をウェハーが５０μｍの厚さになるまで研削および研磨し、ｎ型ＧａＮ基板の下面にはｎ型電極１１３を、リッジストライプ部１１０のｐ型ＧａＮコンタクト層１０８上にはｐ型電極１１４を形成する。その後、劈開によりレーザ共振器を形成すると共に、スクライブにより個々のチップをウェハーから切り出しレーザ素子１５０を作製した。
本実施例のようにして作製されたレーザ素子１５０について６０℃、３０ｍＷの条件で信頼性試験を実施したところ、１０００時間が経過した後の駆動電流値は、信頼性試験開始直後の駆動電流値の１．０４倍程度であった。ここで、駆動電流が初期値の１．２倍に増加する迄の時間、即ち推定寿命は８９００時間であり、従来の素子に比べて飛躍的に信頼性を改善することができた。これは、本実施形態のレーザ素子１５０では、リッジストライプ部１１０と下部平坦領域１１１との境界であるリッジ角部１１２を、このリッジ角部１１２を構成している材料（Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）と同一の熱膨張係数を有する材料（導電型のみ反転したＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ）にて取り囲んで形成しているためである。それにより、数十ｍＡの電流を注入する必要があるレーザ素子の動作中においても、素子内部での熱発生はあるものの、このリッジ角部１１２には熱的歪みは発生せず、リッジ角部１１２から多重量子井戸活性層１０３に結晶欠陥が増殖することを抑制することができる。
次に、上記実施形態におけるレーザ素子１５０と同様の方法により作製したレーザ素子について、ｎ型電流狭窄層１０９のＡｌ組成のみを０から０．０８まで、および０．１２から０．２まで、それぞれ、０．０２ずつ変化させた１０種類のレーザ素子（上記実施例そのものを含めると１１種類）を作製し、同様の信頼性試験を実施した。図２にｎ型電流狭窄層１０９のＡｌ混晶比に対する雰囲気温度６０℃、光出力３０ｍＷの条件下におけるレーザ素子の寿命を示す。ｎ型電流狭窄層１０９のＡｌ混晶比が０．０６から０．１４の範囲にあるレーザ素子では実用上最低必要となる１０００時間以上の寿命を確保することができたが、Ａｌ混晶比が０．０４以下、および０．１６以上の場合には、共に素子の寿命が５００時間以下と極端に短くなることが分かった。従って、リッジ角部１１２に対する熱的歪みを低減することで、レーザ素子の長寿命化を図るためには、リッジ角部１１２を構成するｐ型下部クラッド層１０５の材料であるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎに対し、Ａｌ混晶比が±０．０４の範囲内にある材料（Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４ＮからＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎまで）でｎ型電流狭窄層１０９を構成し、リッジ角部１１２を覆う必要があることが判った。ＡｌＧａＮ材料の熱膨張係数はＡｌの混晶比が大きいほど大きくなる傾向が知られており、Ａｌの混晶比をｘとすると、熱膨張係数は一般にほぼ５×１０−８×（ｘ）／℃となる。従って、リッジ角部１１２を構成する材料（ｐ型下部クラッド層１０５）と、リッジ角部１１２を覆い埋め込む材料（ｎ型電流狭窄層１０９）との間の熱膨張係数の差としては、±２×１０−９／℃の範囲にあることが望ましいことが明らかになった。さらに、本実施例ではｐ型下部クラッド層１０５としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを用いたが、このＡｌの混晶比は０．０５以上０．３以下の範囲で適宜設定することが可能である。この場合も本実施形態と同様に、ｐ型下部クラッド層１０５のＡｌ混晶比と電流狭窄層のＡｌの混晶比の差は±０．０４とすべきであることは、上記の熱膨張係数のＡｌ混晶比依存性がこの範囲でほぼ線形（即ち、熱膨張係数＝５×１０−８×Ａｌ混晶比）であることからも明らかである。
このように、リッジ角部１１２を埋め込むｎ型電流狭窄層１０９の材料は上記の指針に従って選択されるため、ｐ型下部クラッド層１０５およびｐ型上部クラッド層１０７の屈折率とｎ型電流狭窄層１０９の屈折率はほぼ同一となる。しかしながら、本実施形態のレーザ素子１５０では、ｐ型光導波路形成層１０６として、多重量子井戸活性層１０３で発せられる光に対して透明であり、ｎ型電流狭窄層１０９よりも屈折率の大きなＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を用いた。このようなｐ型光導波路形成層１０６を多重量子井戸活性層１０３近傍（多重量子井戸活性層１０３で発生した光が導波する際に光が広がる範囲内）に形成することにより、電流が集中するリッジストライプ部１１０の実効的な屈折率が、ｎ型電流狭窄層１０９が形成される下部平坦領域１１１に比べて大きくなる。これにより、本実施形態レーザ素子は単一横モードで安定し、３０ｍＷまでの高出力で発振させることが可能となる。また、出力レーザビームの波面はほぼ平面波で、非点隔差も３μｍ以内と応用上問題のない程度に小さくすることができた。
上記の本実施形態のレーザ素子１５０の作製方法において説明したように、リッジストライプ部１１０を形成するエッチング機能の少なくとも一部としてＲＩＥ等のイオン照射による物理的反応を利用する場合には、ｐ型下部クラッド層１０５の残し厚（平坦部の厚さ）を０．０１μｍのオーダで制御性良く、かつ層全体にわたって均一にエッチングすることは非常に困難であり、それによりレーザ光導波路の特性を大きく変化させてしまう恐れがある。しかしながら、本発明のように、ｐ型下部クラッド層１０５とｎ型電流狭窄層１０９のＡｌ混晶比をほぼ同一とすることで、エッチング深さ（即ち平坦領域１１１の層厚）に０．１μｍ〜０．２μｍの範囲の変化や面内不均一があったとしても、レーザ素子１５０の特性には大きな影響はなく、ほぼ同一の特性を有するレーザ素子を作製することが可能となった。通常のレーザ素子では、ｐ型下部クラッド層１０５とｎ型電流狭窄層１０９との組成が異なるため、ｐ型下部クラッド層１０５の平坦領域１１１の層厚のばらつきが光導波路の特性に大きな影響を及ぼすが、本実施形態におけるレーザ光導波路の特性は、多重量子井戸活性層１０３とｐ型光導波路形層１０６との間の距離、この両者の厚さまたは組成、あるいは、この両層の間に位置する層の組成でほぼ決定される。これらは全て、一回目の結晶成長の工程において精密に制御可能なパラメータである。この点においても、本発明は効果を発揮し、上記のリッジ角部１１２の熱的歪みの低減によりレーザ素子の信頼性を改善できると共に、ＲＩＥを主たるエッチング手段として用いるＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザ素子の作製歩留まり向上にも大きな効果が認められた（図４に示す従来のレーザ素子４５０では初期特性についての良品の歩留まりは２４％であったが、図１の本実施形態のレーザ素子１５０では６７％に改善できた）。
本実施形態におけるｐ型光導波路形成層１０６の厚さは０．１５μｍとしたが、０．０３μｍから１．５μｍの範囲で変化させた場合にも素子寿命および非点隔差の両特性とも良好なレーザ素子を得ることができた。なお、ｐ型光導波路形成層１０６を０．０３μｍよりも薄くした場合には、リッジストライプ部１１０での実効屈折率が下部平坦領域１１１とほぼ同等（リッジストライプ部１１０の下部平坦領域１１１に対する実効屈折率差が１×１０−３以下または０以下）となりゲインガイド的な導波機構が主となる。それゆえ、非点隔差が１０μｍ以上と大きくなり回折限界までビームを集光できない問題点が生じると共に、高出力において安定した基本横モードで発振させることが出来なかった。また逆に、ｐ型光導波路形成層１０６の厚みを１．５μｍよりも厚くした場合には、導波されるレーザ光がｐ型光導波路形成層１０６に集中するため、多重量子井戸活性層１０３におけるレーザ光強度が相対的に減少することにより閾値電流が上昇すること、および幅２μｍの狭い電流通路であるリッジストライプ部１１０全体の高さが２μｍ以上と高くなることにより素子抵抗が２０オーム以上に上昇すること、の両面により、素子寿命が１００時間未満と短くなる現象が見られる問題があった。
また、上記実施形態でのｐ型光導波路形成層１０６と多重量子井戸活性層１０３との間の距離は０．４７５μｍとしたが、この距離も多重量子井戸活性層１０３で発生する光が広がる範囲であれば良く、具体的には０．２μｍから１μｍの範囲であれば良い。
さらに、ｐ型光導波路形成層１０６は、多重量子井戸活性層１０３で発生する光を吸収することなく、かつ電流狭窄層１０９よりも屈折率が大きな層であれば良く、そのＩｎ混晶比を本実施形態において示した０．１に限定しない。例えば、本実施例では、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎを多重量子井戸活性層１０３の井戸層として用いているが、ｐ型光導波路形成層１０６のＩｎの混晶比が０．０２以上０．１８以下の範囲であれば良い。ｐ型光導波路形成層１０６のＩｎ混晶比を０．１８より大きくした場合には、ｐ型光導波路形成層１０６が多重量子井戸活性層１０３で発光した光を吸収し、かつリッジストライプ部１１０での実効屈折率が下部平坦領域１１１よりも小さくなってしまうため、レーザ素子の閾値電流が上昇し、出力レーザ光の波面が曲がる等の不都合が生じる。また、多重量子井戸活性層１０３における井戸層のＩｎ混晶比を変化させた場合にも、井戸層に対して混晶比が９０％以下の範囲でｐ型光導波路形成層１０６を作製すれば同様の効果は発揮される。さらに、ｐ型光導波路形成層１０６をＩｎＧａＮ（Ｉｎ混晶比＝０．０２〜０．１８）から形成し、その層をｐ型下部クラッド層１０５とｐ型上部クラッド層１０７との間に挿入することで、ｐ型上部クラッド層１０７の結晶成長工程において発生する結晶割れを低減することも可能となった。これはｐ型下部クラッド層１０５とｐ型上部クラッド層との間の結晶歪みをＩｎＧａＮからなるｐ型光導波路形成層１０６が緩和した結果である。
さらに、当該ｐ型光導波路形成層１０６の果たす機能を考えると、上記の実施形態におけるＩｎＧａＮで構成されたｐ型光導波路形成層１０６をｎ型電流狭窄層１０９よりもＡｌ混晶比が小さいＡｌＧａＮで構成しても良いことは言うまでもない。しかしながら、この場合はｐ型上部クラッド層１０７の結晶割れを抑制する効果は観測できなかった。
以上のように、リッジ角部１１２の周辺領域を構成するｐ型下部クラッド層１０５、ｎ型電流狭窄層１０９およびｐ型光導波路形成層１０６の材料を上記のように限定することにより、長寿命でかつレーザ波面の整った窒化ガリウム系半導体レーザを実現することが可能となった。
（実施形態２）
本実施形態におけるレーザ素子の構造図を図３に示す。本構成は、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層１０１を形成するまでは実施形態１と同じである。その後、ＭＯＣＶＤ法により０．０５μｍ厚のｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ光ガイド層２０２、２層のＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ井戸層と１層のＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎバリア層からなる多重量子井戸活性層２０３、０．１μｍ厚のｐ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ光導波路形成層２０４、０．３５μｍ厚のｐ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎからなるｐ型クラッド層２０５、１．０μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２０８を形成する。次に、実施形態１と同様の方法によりエッチングを行い、幅１．６μｍで高さが１．２μｍのリッジ構造を形成する。この時、エッチング深さのばらつきは±０．１μｍであった。次に実施形態１と同様の方法によりｐ型クラッド層２０５の下部平坦領域１１１の上に不純物を添加しない２０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と１０ｎｍ厚のＧａＮ層とを交互に３５対積層したｉ型超格子電流狭窄層２０９をトータル１．１μｍ厚だけ選択形成した。最後に、選択成長マスクを除去後、素子全面に０．３μｍ厚のｐ型ＧａＮ表面層２０８１を形成した。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１００の厚さを３０μｍにするためにその下面を研削し、さらにその研削傷を除去するために研磨を施した後、ｎ型ＧａＮ基板の下面全面にｎ型電極１１３（実施形態１と同様）を形成した。同様に、ｐ型ＧａＮ表面層２０８１の上面にｐ型電極２１４を形成した。最後に共振器長４５０μｍとなるように劈開することでレーザ素子２５０を作製した。
本実施形態においても、ｉ型超格子電流狭窄層２０９は超格子構造となっているが、その平均Ａｌ混晶比はＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎであり、ｐ型クラッド層２０５と実質的に同一のＡｌ混晶比となるように制御した。また、実施形態１におけるｐ型光導波路形成層１０６に相当する特別な層はないが、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０８が多重量子井戸活性層２０３から０．４μｍの位置にあると共に、ｉ型超格子電流狭窄層２０９の平均屈折率よりも屈折率の高いＧａＮで形成されているため、レーザ光がｐ型コンタクト層中にまで広がり、結果として実施形態１におけるｐ型光導波路形成層１０６と同様にリッジストライプ部１１０にレーザの光導波路を実現することができた。
本実施形態の半導体レーザ素子２５０に対して６０℃、３０ｍＷの条件において信頼性試験を行ったところ、素子寿命は１０２００時間であり、従来例に比べて飛躍的に改善が認められた。本実施形態においてもレーザ光の波面はほぼ平面波状であり、非点収差も３μｍ以内と実用上問題の無い程度に小さくすることができた。これは、本実施形態でもリッジ角部１１２を構成する材料（ｐ型クラッド層２０５）とｉ型超格子電流狭窄層２０９との平均の混晶比は実質的に同一であることより、マクロに見た熱膨張係数が実質的に同一となり、リッジ角部１１２における結晶の劣化が抑制されたことによる効果である。
さらにｐ型クラッド層２０５のＡｌ混晶比とｉ型超格子電流狭窄層２０９の平均Ａｌ混晶比とが実質的に同一であることより、リッジストライプ部１１０を形成する際にエッチング深さのばらつき（ここでは±０．１μｍ）があっても、光導波路におけるリッジストライプ部１１０と下部平坦領域１１１との間における実効屈折率差に変化が生じず、遠視野像のばらつきの低減や高出力まで安定した基本横モードで発振する素子の作製歩留まりの向上を実現することができた。この場合の良品素子の作製歩留まりは６９％であった。
上記実施形態においては、実施形態１における光導波路形成層１０６に対応するｐ型ＧａＮコンタクト層２０８をｐ型光導波路形成２０４よりも屈折率が小さいＧａＮで構成とすることにより、これらの層が同一の屈折率を有する場合と比較して約５〜１０ｍＡだけ低閾値電流で発振させることができ、この結果、より高い信頼性を実現できることも分かった。
また、ｉ型超格子電流狭窄層２０９を形成する超格子構造のＡｌＧａＮとＧａＮとの各層の厚さは、いずれの場合にも５０ｎｍ以下であることが望ましい。これは、超格子構造の厚さが５０ｎｍ以下であれば、超格子層がリッジ角部１１２に対して与える影響を超格子の平均組成でとらえることができるからである。すなわち、超格子を構成する層の厚みが５０ｎｍよりも大きい場合には、従来例と同様の１００時間未満の寿命しか得ることはできなかった。
なお、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０８やｐ型ＧａＮ表面層２０８１を、ｐ型ＧａＮに代えて、ＩｎＧａＮ（Ｉｎ混晶比が０より大きく０．２２以下）で形成しても上記と同様の効果を確認することができた。
（実施形態３）
本実施形態は、上記の実施形態２のｎ型クラッド層１０１およびｐ型クラッド層２０５を、共に、１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と５ｎｍ厚のＧａＮ層とが３０対積層されて構成された０．４５μｍ厚の超格子クラッド層に置換したものである。
この場合も、ｐ型クラッド層２０５の平均Ａｌ混晶比と、ｉ型超格子電流狭窄層２０９の平均Ａｌ混晶比とは同一であり、層全体として見た場合の互いの熱膨張係数もほぼ同一とみせる。従って、本実施形態において、先の実施形態の場合と同一の条件で信頼性試験を実施したところ１００００時間を超える寿命が確認できた。
（実施形態４）
本実施形態では、前述の実施形態１のｎ型クラッド層１０１をＳｉを添加した１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と１０ｎｍ厚のＧａＮ層とが５０対積層されて構成されたトータル１．０μｍ厚の超格子層に、ｐ型下部クラッド層１０５をＭｇを添加した１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と１０ｎｍ厚のＧａＮ層とが２０対積層されて構成された０．４μｍ厚の超格子層に、ｐ型光導波路形成層１０６をＭｇを添加した０．２μｍ厚のＧａＮに、ｐ型上部クラッド層１０７を１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と１０ｎｍ厚のＧａＮ層とが２０対積層されて構成されたトータル０．４μｍ厚の超格子層に、ｎ型電流狭窄層１０９をＳｉを添加した１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と１０ｎｍ厚のＧａＮ層とが５０対積層されて構成されたトータル１．０μｍ厚の超格子層に置換した。
本実施形態でも、リッジ角部１１２を構成するｐ型下部クラッド層１０５と、そのリッジ角部１１２を覆うように形成されるｎ型電流狭窄層１０９とが、同一の構成からなる超格子構造となっており、それらの平均Ａｌ混晶比が実質的に同一であるため、マクロに観察した場合の熱膨張の特性がほぼ同一となり、その結果、９５００時間の寿命を得ることが出来た。
また、上記の実施形態におけるｐ型下部クラッド層１０５とｎ型超格子電流狭窄層１０９との超格子構造は、同一の超格子構成とする必要はなかった。具体的には、ｐ型下部クラッド層１０５のみを、Ｍｇを添加した５ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎと５ｎｍ厚のＧａＮ層とが４０対積層されて構成された超格子構造に置換場合も、レーザ素子の信頼性は上記の場合と同様であった。すなわち、超格子構造を用いた場合にも、リッジ角部１１２を形成する層（ここではｐ型下部クラッド層１０５）のＡｌ混晶比と、リッジ角部１１２を形成する層（ここではｎ型電流狭窄層１０９）の平均Ａｌ混晶比を同一とすることにより、従来例に比べて飛躍的に信頼性を改善することが可能となることが分かった。
（実施形態５）
図５に、異なる実施形態の断面素子構造図を示す。本実施形態では、リッジ角部５１２において、リッジの側面と下部平坦領域１１１の面とがなす角度が９０°以上となるように形成した以外は、実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一の構造や材料の部分には同一の番号を付してある。
このように、リッジ角部５１２の角度を１００°以上とすることにより、１０００時間の信頼性を実現できる電流狭窄層１０９のＡｌ混晶比の許容範囲を、実施形態１におけるリッジ角部５１２を形成する材料に対する±０．０４よりも広げることができた。具体的には、リッジ角部５１２の形成材料であるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎに対してリッジ角部の角度が１００°以上１３０°以下の範囲において電流狭窄層のＡｌ混晶比を±０．０８の範囲内で形成すれば１０００時間以上の素子寿命を実現出来ることがわかった。
これは、リッジ角部５１２で発生する熱的歪みによる結晶欠陥が、リッジ角部５１２の角度を１００°以上とすることで緩和され、それによりリッジ部１１０下部に位置する活性層１０３方向への欠陥の伝搬が抑制されることによるものであると思われる。なお、リッジ角部５１２の角度を１３０°を越えるように形成した場合は、リッジの斜面が緩やかになりすぎるため、発振横モードに対する屈折率差を急峻に設けることが出来なくなり、発振モードの不安定性が生じるため、不適当であった。
なお、リッジ角部５１２の角度が９０°以上１００°未満の範囲においては、レーザ素子が１０００時間以上の寿命を有するために、実施形態１と同じく電流狭窄層１０９のＡｌ混晶比は±０．０４であることが必要であることを確認できた。以上のことより、リッジ角部５１２の角度が９０°以上１００°未満の場合は、下部クラッド層１０５と電流狭窄層１０９との間の熱膨張係数の差を±２×１０−９／℃とし、角度が１００°以上１３０°以下の場合は、±４×１０−９／℃とすればよいことを見出した。
なお、上記の実施形態では基板としてＧａＮを用いて説明したが、本発明はＧａＮ基板に限定されるものではなく、従来例と同様のサファイア基板や、ＳｉＣ基板等を適用することも可能である。また、上記実施形態の導電型を全て反転させた構造も本発明の範疇に含まれる。
産業上の利用可能性
本発明を適用することにより、発振モードが安定で、閾値電流が小さく、信頼性に優れた半導体レーザを高い歩留まりで作製することが可能になる。
また本発明の半導体レーザ素子を用いれば、電流が集中的に注入されるストライプ状凸構造領域の近傍で局所的に素子の温度が上昇しても、電流狭窄層と第２導電層との熱膨張係数の差が小さいために素子構造の熱的歪みが抑制される。それにより、局所的な結晶欠陥または結晶割れが生じることはなく、レーザ素子の寿命を増大させることができる。
また本発明の半導体レーザでは、Ａｌ混晶比に依存して変化する熱膨張係数の値の差を第２層と電流狭窄層との間で小さくでき、それにより素子構造の熱的歪みを低減できる。さらに、光導波路形成層をＩｎｕＧａ１−ｕＮから形成することで、その屈折率を電流狭窄層が配置される第２層の平坦部の屈折率よりも大きくできる。それにより、単一横モードで安定して高出力まで発振するレーザ素子を得ることができ、さらに出力レーザビームの波面がほぼ平面波となり、非点隔差も小さくすることができる。
また本発明の半導体レーザでは、第２導電層と電流狭窄層との熱膨張係数がほぼ同一となり、リッジ角部における結晶の劣化が抑制されることで、レーザ素子の寿命を増大させることができる。また、超格子を構成する層の厚さを５０ｎｍ以下とすることで、超格子層がリッジ角部１１２に対して与える影響を超格子の平均組成でとらえることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態素子の構造図である。
図２は、本発明の実施形態１の素子の混晶比を変化させた場合の混晶比を変化させた場合の素子寿命の変化を示したグラフである。
図３は、本発明の実施形態２のレーザ素子の構造図である。
図４は、従来技術によるレーザ素子の構造図である。
図５は、本発明の実施形態５のレーザ素子の構造図である。
【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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