(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる活性層、及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順に積層し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚をストライプ状に部分的に厚くしてリッジ部とすることにより、前記リッジ部下方への光閉じ込めを行う窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、
前記リッジ部下方を両側より挟む部分のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に、レーザの共振方向に沿って周期的に凹部が形成され、
前記凹部内を含む前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に、前記窒化ガリウム系化合物半導体層よりも小さな屈折率を有する保護絶縁膜が形成さ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】
前記保護絶縁膜が、ＳｉＯ２又はＺｒＯ２であることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層の上に、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層としてｐ型光ガイド層及びｐ型クラッド層が順に積層されており、前記凹部が前記ｐ型光ガイド層の一部を除く深さに形成されたことを特徴とする請求項２記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項４】
前記凹部の平面形状は、円形、矩形、又はリッジに直交するストライプ形状であ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】
前記凹部の外周が、前記リッジ部の側面と鈍角で接することを特徴とする請求項１乃至４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ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層がｐ型コンタクト層を含み、前記ｐ型コンタクト層上にｐ電極が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５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７】
前記リッジ部の側面と前記リッジ部の両側のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層表面に前記保護絶縁膜が形成されてい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、窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いたリッジ導波路型半導体レーザの構造に関し、詳細には、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたリッジ導波路型物半導体レーザにおける横モードの安定性向上を目的とした導波路構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた半導体レーザにおいて、水平横モードを制御するためにリッジ導波路型構造を採用する場合が多い。図４は、一般的なリッジ導波路型構造の一例を示す斜視図である。尚、図４において、基板、保護絶縁膜などは省略している。窒化ガリウム系化合物半導体を用いて、ｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層６、活性層８、ｐ型光ガイド層１０、ｐ型クラッド層１２、及びｐ型コンタクト層１４が順に積層されている。ｐ型コンタクト層１４及びｐ型クラッド層１２は、ストライプ状の領域を残してｐ型クラッド層１２が所定の膜厚となるまでエッチング除去され、ストライプ状の凸部（＝リッジ部）２０が形成されている。ｐ型コンタクト層１４の上にｐ電極１６が形成され、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層２の上にｎ電極１８が形成されている。リッジ部２０の下方にある光導波路の等価屈折率はその両側の領域の等価屈折率よりも高くなるため、横方向に光が閉じ込められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般的なリッジ導波路構造を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザでは、横モードの安定性が十分ではないためキンク現象が顕著に生じる問題がある。キンク現象の一例を図５に示す。レーザの電流値Ｉを大きくしていくと、まず発振閾値Ｉ０を超える電流領域で０次モードが発振するが、さらに電流値を高めていくと、ある電流値Ｉ１で１次モードが発振可能となって横モードに変化が起き、電流Ｉ−光出力Ｐ特性に折れ曲り（＝キンク、kink）が生じる。キンク現象が生じると、レーザ出力特性のリニアリティが崩れてレーザ出力の正確な制御が困難となってしまう。
【０００４】
また、横モードが不安定である結果、パルセーションが発生し易くなる問題もある。一般に、レーザ発振閾値を超えて電流を注入すると、レーザ発振によるキャリア密度の減少と電流の注入によるキャリア密度の上昇とが繰り返されてレーザ光の出力が周期的に強弱を繰り返す「緩和振動」が起きるが、横モードが不安定な場合には「緩和振動」が永続する「パルセーション」が起き易くなる。パルセーションが発生すると、レーザ光の出力が不安定となり、レーザ光がオン状態であるのかオフ状態であるのかの特定ができなくなる。電流注入時にキャリア密度分布の変化が生じ、これによって屈折率の変化が引き起こされて光の分布に変化をきたし、横モードの変化（高次モードが発振を開始）によってさらにキャリア分布密度の変化が生じてパルセーションを引き起こすと考えられる。
【０００５】
そこで、本発明は、リッジ導波路構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、横モードを安定化することのできる新たなリッジ導波路構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる活性層、及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順に積層し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚をストライプ状に部分的に厚くしてリッジ部とすることにより、前記リッジ部下方への光閉じ込めを行う窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、前記リッジ部下方を両側より挟む部分のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚を、レーザの共振方向に周期的に変化させたことを特徴とする。
【０００７】
これにより、リッジ導波路型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおける横モードを安定化し、キンク現象及びパルセーションを抑制することができる。リッジ脇のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚を周期的に変化させることにより横モードが安定化するメカニズムは明らかではないが、リッジ下方の光閉じ込め領域を両側から挟む周辺領域における等価屈折率がレーザの共振方向に周期的に変化するためと推定される。
【０００８】
リッジ脇のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の膜厚をレーザの共振方向に周期的に変化させるには、例えば、リッジ部下方を両側より挟む部分のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に、リッジ部の長手方向に沿って一定間隔毎に複数の凹部を形成すれば良い。
【０００９】
また、活性層の上に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層としてｐ型光ガイド層及びｐ型クラッド層が順に積層されている場合には、凹部をｐ型光ガイド層の一部を除く深さに形成することが好ましい。これにより、レーザ発光の中心である活性層に近い位置で周辺領域の等価屈折率を変化させることができるため、横モードを一層安定化することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明に係るリッジ導波路型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの一例を示す斜視図及び平面図である。尚、図１及び図２において、基板や保護絶縁膜は省略している。サファイア、ＳｉＣ等の異種基板又はＧａＮ基板の上に、ＡｌｘＧａ1-ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成るｎ型コンタクト層２、ＡｌｘＧａ1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む窒化物半導体層から成るｎ型クラッド層４、ＩｎｘＧａ１-ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成るｎ型光ガイド層６、ＩｎｘＧａ１-ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む活性層８、ＩｎｘＧａ１-ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成るｐ型光ガイド層１０、ＡｌｘＧａ1-ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む窒化物半導体層から成るｐ型クラッド層１２、ＧａＮから成るｐ型コンタクト層１４が順に積層されている。ｐ型コンタクト層１４の上にｐ電極１６が形成され、エッチングにより露出されたｎ型コンタクト層２の上にｎ電極１８が形成されており、ｐ電極１６及びｎ電極１８を除く素子のほぼ全面にＺｒＯ２やＳｉＯ２等の保護絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００１１】
本実施の形態におけるリッジ導波路の構造は次の通りである。まず、従来と同様のリッジ部２０がｐ型クラッド層１２に形成されている。即ち、ｐ型クラッド層１２及びｐ型コンタクト層１４を、ストライプ状の領域を残してｐ型クラッド層１２が所定の膜厚となるまでエッチング除去し、ストライプ状の凸部であるリッジ部２０を形成している。そして、そのリッジ部２０の両脇にリッジ長手方向に沿って一定の間隔ごとに複数の凹部２２が形成されている。凹部２２は、ｐ型クラッド層１２の上面からｐ型光ガイド層１０が所定の膜厚だけ残る深さまでエッチングして形成する。凹部２２内は、ＺｒＯ２やＳｉＯ２等の保護絶縁膜（図示せず）によって埋められている。
【００１２】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図１及び２に示す半導体レーザ素子について、凹部２２が形成されていない位置（図２のａ−ａ’線の位置）及び凹部２２が形成されている位置（図２のｂ−ｂ’線の位置）の断面を示す模式図である。尚、図３（ａ）及び（ｂ）では、保護膜１９を省略せずに記載している。凹部２２が形成されていない領域では、図３（ａ）に示すように、光導波路を形成している領域Ａの両側を挟む周辺領域Ｂにおいてｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層はｐ型クラッド層１２が一定の膜厚だけ残るようにエッチングされ、その上を保護絶縁膜１９が覆っている。一方、凹部２２が形成されている領域では、図３（ｂ）に示すように、周辺領域Ｂにおいてｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層はｐ型クラッド層１２が全て除去されてｐ型光ガイド層１０が一定の膜厚（約４００〜１５００Åが好ましい）だけ残るようにエッチングされており、形成された凹部２２は保護絶縁膜１９によって埋められている。尚、相対的に凹凸が形成されれば、凹部２２が形成されていない領域（図３（ａ）の領域）においてｐ型クラッド層１２を越えてｐ型光ガイド層までエッチングすることもできる。
【００１３】
本件発明のリッジ導波路構造によれば、リッジ部２０の脇にあるｐ型窒化物半導体層（ｐ型光ガイド層１０及びｐ型クラッド層１２）に凹凸を形成したことにより、窒化ガリウム系化合物半導体のレーザの横モードを安定化して、キンク現象やパルセーションの発生を抑制することができる。リッジ脇のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層への凹凸形成によって横モードが安定化するメカニズムは明らかではないが、凹凸形成の結果、光閉じ込め領域Ａを両側から挟む周辺領域Ｂにおける等価屈折率がレーザの共振方向（ここではリッジ長手方向）の位置によって周期的に変化するためと推定される。
【００１４】
即ち、図３に示すように、凹部の形成されていない位置（図３（ａ））と凹部２２が形成された位置（図３（ｂ））とでは、周辺領域Ｂにおけるｐ型窒化物半導体層（ｐ型光ガイド層１０及びｐ型クラッド層１２）と保護絶縁膜２２の膜厚比率が異なるが、保護絶縁膜であるＺｒＯ２やＳｉＯ２は窒化ガリウム系化合物半導体に比べて屈折率が約２０〜４０％小さいため、周辺領域Ｂに光導波路に沿って周期的な等価屈折率の変化ができる。このため、いわゆる分布帰還を活性領域の左右で行うような構造ができ、レーザの横モードが安定化すると考えられる。
【００１５】
凹部２２の深さは、活性層８が露出しない範囲で深い方が好ましい。レーザの横モードを安定化するためには、周辺領域Ｂの中でレーザ発光の中心である活性層８に近い位置で等価屈折率の周期的変化を起こす必要があるからである。特に、本実施の形態のように、活性層８とｐ型クラッド層１２との間にｐ型光ガイド層１０を設けている場合には、ｐ型光ガイド層１０が４００〜１５００Å残る程度の深さとすることが好ましい。
【００１６】
凹部２２のリッジ直交方向の幅ｗａは、リッジ部２０の下方への横方向の光閉じ込めに寄与している範囲よりも大きくなるように形成する。また、凹部２２のリッジ長手方向の幅ｗｂ及び凹部２２同士の間隔ｗｃは特に限定されないが、リッジ長手方向に少なくとも数周期が繰り返される大きさとすることが好ましい。
【００１７】
凹部２２の平面形状は特に限定されず、円形、矩形又はリッジに直交するストライプ状等でも良い。但し、凹部２２がリッジ部２０の側面と接する境界部分は特に段差が大きいため、図２に示すように凹部２２の外周がリッジ部２０の側面と鈍角で接する形状とすると、保護絶縁膜による埋め込みが良好となって好ましい。
【００１８】
尚、本実施の形態においてはｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に複数の凹部を形成することにより膜厚を周期的に変化させたが、他の適当な方法によって膜厚を変化させても良い。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
以下の方法により、図１から図３に示される構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製した。
サファイア基板の上に、温度５１０℃で、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＧａＮよりバッファ層（図示せず）を約２００Åの膜厚で成長させる。そして、１０５０℃で原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを１μｍの膜厚で成長させ、さらに、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアガスを用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ４）を用い、Ｓｉを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを３μｍの膜厚で成長させて、ｎ型コンタクト層２を形成した。
【００２０】
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎよりなるクラック防止層（図示せず）を１５００Åの膜厚で成長させた。
【００２１】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。そして、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層６を７５０Åの膜厚で成長させた。
【００２２】
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８を成長させた。
【００２３】
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層（図示せず）を１００Åの膜厚で成長させた。
【００２４】
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０を１５００Åの膜厚で成長させた。このｐ型光ガイド層１０は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。
【００２５】
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ９０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚４５００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層１２を成長させた。そして、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１４を１５０Åの膜厚で成長させた。
【００２６】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ電極１８を形成すべきｎ側コンタクト層２の表面を露出させた。
【００２７】
次に、リッジ部２０を以下のようにして形成した。最上層のｐ側コンタクト層１４のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ２）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成し、ストライプ幅１．８μｍにパターニングする。そして、ＲＩＥによりＣｌ２とＳｉＣｌ４ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１４、およびｐ型クラッド層１２をエッチングして、ストライプ幅１．８μｍのリッジ部２０を形成する。エッチングは、ｐ型ガイド層１０の残し厚が１０００Åとなるまで行った。
【００２８】
次に、リッジ部２０の両脇の凹部２２を以下のようにして形成した。リッジ部２０を形成後、リッジ部２０下方を両側に挟む部分に共振方向に沿って一定間隔に複数の凹部を形成するようにレジストによる凹部パターンのパターニングを行う。そして、ＲＩＥによりＣｌ２とＳｉＣｌ４ガスを用いて、凹部パターンの開口した部分の半導体層をエッチングして、凹部２２を形成する。その後、レジストを除去する。凹部２２の深さは、５００Åとし、凹部２２の大きさは、リッジ直交方向の幅ｗａを４μｍ、リッジ長手方向の幅ｗｂを４μｍ、間隔ｗｃを１６μｍとした。
【００２９】
リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層２の表面をレジストで覆い、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる第２の保護膜を、第１の保護膜及びレジストの上と、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層１２の上とに０．２μｍの膜厚で連続して形成した。このようにＺｒ酸化物を形成すると、横モードの安定を図る上で好ましい。そして、第１の保護膜及びレジストをリフトオフ法により除去した。
【００３０】
次に、第１の保護膜が除去されて露出したｐ側コンタクト層１４の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１６を１００μｍのストライプ幅で形成し、ｎ側コンタクト層２の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極１８をストライプと平行な方向で形成した。
【００３１】
サファイア基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製した。共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１から３に示すようなレーザ素子とした。なお共振器長は６００μｍとした。
【００３２】
（実施例２）
凹部の間隔ｗｃを１０μｍとする他は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
（実施例３）
凹部の間隔Ｗｃを６μｍとする他は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
【００３３】
（実施例４）
リッジ部２０を形成するエッチングをｐ型クラッド層１２が１５０Å残るように行い、凹部２２の深さを１０００Åとする他は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
【００３４】
（実施例５）
凹部の間隔ｗｃを１０μｍとする他は、実施例４と同様にして半導体レーザを作製した。
（実施例６）
凹部の間隔Ｗｃを６μｍとする他は、実施例４と同様にして半導体レーザを作製した。
【００３５】
（比較例１）
リッジ部２０の両脇に凹部２２を形成しない他は、実施例１と同様にして半導体レーザを作製した。
（比較例２）
リッジ部２０の両脇に凹部２２を形成しない他は、実施例４と同様にして半導体レーザを作製した。
【００３６】
実施例１から６及び比較例１から２の半導体レーザについて、立ちあがりキンク及びレーザ発振領域キンクを測定したところ、実施例１から６の半導体レーザは、立ちあがりキンク及びレーザ発振領域キンクの両方が比較例１及び２の半導体レーザよりも抑制されていた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、リッジ導波路型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子における横モードを安定化して、キンク現象及びパルセーションの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に係るリッジ導波路型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの一例を示す斜視図である。
【図２】  図２は、図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザの上面図である。
【図３】  図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザのａ−ａ’線及びｂ−ｂ’線における断面を示す断面図である。
【図４】  図４は、従来のリッジ導波路型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの一例を示す斜視図である。
【図５】  図５は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの電流−光出力特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
２  ｎ型コンタクト層、４  ｎ型クラッド層、６  ｎ型光ガイド層、８  活性層、１０  ｐ型光ガイド層、１２  ｐ型クラッド層、１４  ｐ型コンタクト層、１６  ｐ電極、１８  ｎ電極、２０  リッジ部、２２  凹部。
【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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