(57)【要約】【課題】窒化物半導体レーザにおいて、光出射端面近傍に遷移波長が短波長である活性層構造を同時に作り込むことにより、高光出力動作においても端面光学損傷による劣化を起こさない。【解決手段】下地基板上に凹凸構造を設け、その上に窒化物半導体レーザの層構造を作製する。活性層に用いられるＩｎＧａＮは、面方位に対してＩｎ取り込み効率や成長速度が大幅に変化する。この特性を利用することにより、一回の結晶成長によって光出射端面に低Ｉｎ組成かつ井戸層厚の薄い活性層構造を作り込むことができるため、光出射端面近傍の活性層遷移波長を短波長化することができる。その結果、光出射端面における光吸収による光学損傷を大幅に低減することができるため、高光出力動作が可能な窒化物半導体レーザを実現することができる。【選択図】図３
2009283512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の凹凸構造と、
前記凹凸構造上に形成された半導体多層膜と、
前記半導体多層膜上に形成された光導波路構造と、
光出射端面を含む２枚の端面とを有し、
前記半導体多層膜は、第１の半導体層と、該第１の半導体層上に形成された活性層と、  該活性層上に形成された第２の半導体層とを含み、
前記活性層及び前記光導波路構造は、前記２枚の端面の間に設置されており、
前記基板と前記凹凸構造からなる構造物は、前記光出射端面近傍と前記光出射端面近傍以外の領域で、前記基板の主面に平行な面で切った断面形状が異なり、
前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記活性層の遷移波長は、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記活性層の遷移波長よりも短いことを特徴とする窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１の半導体層と前記活性層の界面において、前記光出射端面近傍と前記光出射端面近傍以外の領域で異なる面方位が存在す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。
【請求項３】
前記活性層は井戸層とバリア層を含む多重量子井戸構造を有しており、少なくとも前記井戸層はインジウムを含む窒化物半導体であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記井戸層のインジウム組成は、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記井戸層のインジウム組成よりも少ないことを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項５】
前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記井戸層の厚さは、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記井戸層の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項６】
前記凹凸構造は、前記基板を直接加工して形成されてい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。
【請求項７】
前記凹凸構造は前記光出射端面近傍以外の領域にのみ存在し、かつ前記光出射端面近傍における前記基板は凹凸がなく平坦であることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項８】
前記光導波路構造は、前記凹凸構造の凹部の直上に設置されていることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項９】
前記凹凸構造は、前記基板の表面が一部露出するような開口部を有する誘電体膜から成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。
【請求項１０】
前記誘電体膜の前記光出射端面近傍における開口幅は、前記光出射端面近傍以外の領域における開口幅に比べて広いか、もしくは前記光出射端面近傍において前記誘電体膜が存在しないことを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１１】
前記半導体多層膜は、前記端面に平行な面で切った断面が台形状であり、且つ上面が平坦である台形構造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。
【請求項１２】
前記台形構造の上面の幅は、前記光出射端面近傍において、前記光出射端面近傍以外の領域よりも広くなっていることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第１の半導体層の側壁は（１１−２２）面にて構成されてい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。
【請求項１４】
前記凹凸構造は前記光出射端面近傍の領域にのみ存在し、かつ前記光出射端面近傍以外の領域における前記基板は凹凸がなく平坦であることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項１５】
前記凹凸構造はストライプ状であり、該ストライプの方向は、光の伝搬方向に対してほぼ平行であ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】
前記凹凸構造はストライプ状であり、該ストライプの方向は、光の伝搬方向に対してほぼ垂直であ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１７】
前記光出射端面近傍における前記光導波路構造の光閉じ込め係数は、前記光出射端面近傍以外の領域における前記光閉じ込め構造の光閉じ込め係数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１８】
前記凹凸構造は、前記光導波路構造のない領域下に存在し、前記光導波路構造のある領域下における前記基板は平坦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。
【請求項１９】
前記半導体多層膜の上面は、前記基板の主面と面方位が一致してい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。
【請求項２０】
前記光出射端面近傍における前記半導体多層膜の上面の面方位は、前記基板の主面の面方位から、光出射端面の面方位に向けて傾斜していることを特徴とする、請求項１９に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項２１】
前記光出射端面近傍における前記半導体多層膜の上面の面方位は、前記基板の主面の面方位から、光出射端面の面方位に向けて６度以内の傾きを有することを特徴とする、請求項２０に記載の窒化物半導体レーザ。
【請求項２２】
前記基板の主面は（０００１）面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。
【請求項２３】
前記基板の主面は（１１−２０）面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。
【請求項２４】
前記光出射端面近傍の直上において、電極が存在しな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。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体により構成される青紫色半導体レーザの研究開発が盛んである。青紫色半導体レーザは波長が短いため、これを光記録用光源として用いると、記録密度を大幅に増加させることができ、現在、青紫色半導体レーザを用いたＢｌｕ−ｒａｙディスクといった製品が市場に出回りつつある。これは、ＩｎＧａＮを活性層としたダブルヘテロ構造に対し、リッジ導波路加工を行い、端面を劈開によって形成することで窒化物半導体レーザ構造を実現している（例えば非特許文献１参照）。そして現在、Ｂｌｕ−ｒａｙディスクへの高速読み書きなどの展開をめざし、さらなる高光出力動作のための技術開発が進められている。
【非特許文献１】Shuji Nakamura, Masayuki Senoh, Shin-ichi Nagahama, Naruhito Iwasa, Takao Yamada, Toshio Matsushita, Hiroyuki Kiyoku, Yasunobu Sugimoto, Takuya Kozaki, Hitoshi Umemoto, Masahiko Sano, and Kazuyuki Chocho, "InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes with modulation-doped strained-layer superlattices grown on an epitaxially laterally overgrown GaN substrate," Appl. Phys. Lett. Vol. 72, (1998) 211.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、窒化物半導体レーザが社会に広く普及していくには、さらなる高光出力化が必要である。一般に半導体レーザの光出力を増していくと、素子は光学損傷を起こし、信頼性に著しい支障をきたす。その最も大きな要因は光出射端面における劣化である。端面では結晶の周期性が乱されるため、禁制帯幅内における界面準位の形成や禁制帯幅の縮小、すなわち遷移波長の長波長化を起こす。レーザ光の一部は端面の界面準位や縮小した禁制帯幅にて光吸収される結果、端面が局所的に加熱されることで光学損傷を引き起こす。このことが、窒化物半導体レーザの高光出力化を妨げる大きな要因となっている。
【０００４】
本発明は、前述の技術的課題に鑑み、端面での遷移波長の長波長化を防ぐことにより、光出射端面における光学損傷を低減することを目的とする。
【０００５】
光出射端面における光学損傷の問題が解決されれば、窒化物半導体はガリウム砒素などの従来化合物半導体に比べてはるかに耐熱性の高い安定な材料であることから、従来の赤色半導体レーザをはるかに凌駕する高い光出力特性を得ることが可能である。
【０００６】
そして、高い光出力を得られる結果、窒化物半導体レーザのさらなる高機能化が期待される。たとえば、ホログラフィックメモリなどに用いるための分布帰還型レーザなどがあげられる。この場合、回折格子による分布帰還によって高い波長単一性を得ることができる。また、高出力および単一波長性を利用した電磁波発生や波長変換など、様々な応用が広がる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、窒化物半導体が持つ結晶成長の特異な面方位依存性をうまく利用することで、工程数をほとんど増やすことなく、低コストかつ量産性に優れた高出力窒化物半導体レーザを実現している。
【０００８】
本発明の構成は、具体的には以下の通りとなっている。
【０００９】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、基板と、前記基板上の凹凸構造と、前記凹凸構造上に形成された半導体多層膜と、前記半導体多層膜上に形成された光導波路構造と、光出射端面を含む２枚の端面とを有し、前記半導体多層膜は、第１の半導体層と、該第１の半導体層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された第２の半導体層とを含み、前記活性層及び前記光導波路構造は、前記２枚の端面の間に設置されており、前記基板と前記凹凸構造からなる構造物は、前記光出射端面近傍と前記光出射端面近傍以外の領域で、前記基板の主面に平行な面で切った断面形状が異なり、前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記活性層の遷移波長は、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記活性層の遷移波長よりも短いことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、基板と凹凸構造からなる構造物の断面形状を光出射端面近傍とそれ以外の部分において変化させることにより、活性層の遷移波長を、光出射端面近傍において短波長化することができる。そして、このことにより、光出射端面近傍におけるレーザ光の吸収を著しく減少させることができるため、端面の光学損傷を減らすことが可能となり、その結果、高い光出力を実現することが可能である。なお、ここでいう断面形状が異なる状態とは、基板の主面に平行なある平面で切ったとき、一方の領域に断面が存在しない状態も含む。
【００１１】
本発明の窒化物半導体レーザは、前記第１の半導体層と前記活性層の界面において、前記光出射端面近傍と前記光出射端面近傍以外の領域で異なる面方位が存在することが好ましい。
【００１２】
このような構成によれば、第１の半導体層の上に形成された活性層の遷移波長を、光出射端面近傍と、それ以外の部分で変化させることができる。その結果、活性層の遷移波長を、光出射端面近傍において短波長化することができ、光出射端面近傍におけるレーザ光の吸収を著しく減少させることができるため、端面の光学損傷を減らすことが可能となり、高い光出力を実現することが可能である。
【００１３】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記活性層は井戸層とバリア層を含む多重量子井戸構造を有しており、少なくとも前記井戸層はインジウムを含む窒化物半導体であることが好ましい。
【００１４】
このような構成によれば、インジウムを含む窒化物半導体は面方位によって成長速度および組成が大きく変わるため、凹凸構造上およびその周辺部における活性層の遷移波長を変化させることができる。このことを積極利用することにより、光出射端面近傍における吸収端波長を短波長化することができ、その結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００１５】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記井戸層のインジウム組成は、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記井戸層のインジウム組成よりも少ないことが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、光出射端面近傍において活性層の吸収端波長を短波長化することができる。その結果、光出射端面における吸収を低減させることができ、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記光出射端面近傍における、前記光導波路構造直下の前記井戸層の厚さは、前記光出射端面近傍以外の領域における、前記光導波路構造直下の前記井戸層の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、光出射端面近傍において活性層の吸収端波長を短波長化することができる。その結果、光出射端面近傍における吸収を低減させることができ、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記凹凸構造は、前記基板を直接加工して形成されていることが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、半導体レーザの層構造を結晶成長する前に基板を加工することで、端面の光学損傷を減少できる構造を作製することが可能であるため、工程数ならびにコストを上げることなく、高出力な半導体レーザを実現することができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記凹凸構造は前記光出射端面近傍以外の領域にのみ存在し、かつ前記光出射端面近傍における前記基板は凹凸がなく平坦であることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の前記活性層の遷移波長を長波長化することができるため、光出射端面近傍の活性層の遷移波長は、それ以外の領域における遷移波長に比べて相対的に短波長化することができる。すなわち、端面における吸収を減らすことができるため、高出力な半導体レーザを容易に実現することができる。
【００２３】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記光導波路構造は、前記凹凸構造の凹部の直上に設置されていることが好ましい。
【００２４】
このような構成によれば、凹形は窪んでいることから凸形よりも成長速度が大きくなるため、凹凸構造の形状に対する成長の依存性をさらに強調することができる。その結果、容易に光出射端面近傍における活性層の遷移波長をさらに短波長化できる窓構造を形成でき、端面における吸収を減らすことが可能であるため、高出力な半導体レーザを容易に実現することができる。
【００２５】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記凹凸構造は、前記基板の表面が一部露出するような開口部を有する誘電体膜から成ることが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、基板の上に誘電体膜を選択成長することで、凹凸構造を形成できる。この場合、基板上にはパターニングされた誘電体膜のみが載っているため、事前にエッチングなどによって凹凸状に加工する必要がなく、選択成長の成長条件のみによって形状制御するため、凹凸構造の形状を精密に制御できる。
【００２７】
本発明の窒化物半導体レーザにおいて、前記誘電体膜の前記光出射端面近傍における開口幅は、前記光出射端面近傍以外の領域における開口幅に比べて広いか、もしくは前記光出射端面近傍において前記誘電体膜が存在しないことが好ましい。
【００２８】
このような構成によれば、光出射端面近傍における活性層の成長速度および混晶組成を光出射近傍端面以外の領域に比べて大幅に変えることができる。その結果、光出射端面近傍における遷移波長を短波長化することが可能となるため、光学損傷を抑制することができ、半導体レーザの高出力化を実現することができる。
【００２９】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記半導体多層膜は、前記端面に平行な面で切った断面が台形状であり、且つ上面が平坦である台形構造であることが好ましい。
【００３０】
このような構成によれば、最上部が平坦である台形の上にある活性層は、平坦な膜となる。すなわち、良質な結晶が得られやすく、なおかつ電流注入の不均一性を低減することができる。その結果、高出力な窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００３１】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記台形構造の上面の幅は、前記光出射端面近傍において、前記光出射端面近傍以外の領域よりも広くなっていることが好ましい。
【００３２】
このような構成によれば、成長速度の形状依存性により、前記活性層の井戸層膜厚は前記光出射端面近傍において薄くすることが可能である。すなわち、光出射端面近傍において吸収端波長を短波長化することができ、吸収を低減させることができる結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００３３】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記第１の半導体層の側壁は（１１−２２）面にて構成されていることが好ましい。
【００３４】
このような構成によれば、凹凸構造における平坦部と側壁との成長速度および組成を最大限に変調することができる。特にＩｎＧａＮの場合、（１１−２２）面への成長速度およびインジウム組成は大幅に抑制されるため、この選択成長特性を利用することにより、光出射端面近傍において遷移波長を短波長化することができる。
【００３５】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記凹凸構造は前記光出射端面近傍の領域にのみ存在し、かつ前記光出射端面近傍以外の領域においては凹凸がなく平坦であることが好ましい。
【００３６】
このような構成によれば、光出射端面近傍における活性層の遷移波長を短波長化することができるため、光出射端面近傍の活性層の遷移波長は、光出射端面近傍以外の領域における遷移波長に比べて相対的に短波長化することができる。すなわち、端面における吸収を減らすことができるため、高出力な半導体レーザを容易に実現することができる。
【００３７】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記凹凸構造はストライプ状であり、該ストライプの方向は、光の伝搬方向に対してほぼ平行であることが好ましい。
【００３８】
このような構成によれば、光の伝搬方向に平行な面で切った場合、ほぼ同じような断面形状を持った凹凸構造となる。もし、光の伝搬方向に対して平行でない場合、光は散乱を受けるため、レーザの動作特性に重大な悪影響を及ぼす。しかしながら、このような構成によれば、光は散乱損失を受けないため、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００３９】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記凹凸構造はストライプ状であり、該ストライプの方向は、光の伝搬方向に対してほぼ垂直であることが好ましい。
【００４０】
このような構成によれば、光出射端面近傍における活性層の吸収端波長を短波長化できることから、光出射端面近傍における光吸収による光学損傷を減らすことができる。さらに、光の伝搬方向と凹凸形状が垂直であるため、光は形状による散乱を受ける。その結果、光出射端面における電界強度を低減することができる。その結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００４１】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記光出射端面近傍における前記光導波路構造の光閉じ込め係数は、前記光出射端面近傍以外の領域における前記光閉じ込め構造の光閉じ込め係数よりも小さいことが好ましい。
【００４２】
このような構成によれば、光出射端面近傍において光強度分布は大きく広がることになる。その結果、光出射端面近傍の活性層における光強度を低減することができるため、光出射端面近傍における吸収を低減させることができ、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００４３】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記凹凸構造は、前記光導波路のない領域下に存在し、前記光導波路のある領域下における前記基板は平坦であることが好ましい。
【００４４】
このような構成によれば、光利得を行う部分は平坦な下地の上に活性層が結晶成長されている。また、光出射端面近傍において活性層の遷移波長を短波長化させるための凹凸構造は、光利得を担う領域とは分離されているため、活性層の結晶品質を損なうことなく窓構造を形成することができる。すなわち、活性層の結晶品質を保ったまま、光出射端面近傍における吸収を低減させることができ、その結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００４５】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記半導体多層膜の上面は、前記基板の主面と面方位が一致していることが好ましい。
【００４６】
このような構成によれば、活性層を均一に結晶成長しやすいという利点がある。また、活性層の面方位を対称性の高い基板面方位と一致させることで、凹凸構造の形状による成長速度および組成の変調を最大限に発揮させることができる。この特徴を用いることによって、光出射端面近傍における吸収端波長の劇的な短波長化を実現することができ、吸収を低減させることができる結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００４７】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記光出射端面近傍における前記半導体多層膜の上面の面方位は、前記基板の主面の面方位から、前記光出射端面の面方位に向けて傾斜していることが好ましい。
【００４８】
このような構成によれば、光出射端面近傍における活性層の成長速度および組成を選択的に変調することができる。たとえば、活性層の井戸層にＩｎＧａＮを用いた場合、特にＩｎ組成を抑制することができる、すなわち、光出射端面近傍における吸収端波長の短波長化を実現することができ、吸収を低減させることができる。そしてその結果、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００４９】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記光出射端面近傍における前記半導体多層膜の上面の面方位は、前記基板の主面の面方位から、前記光出射端面の面方位に向けて６度以内の傾きを有することが好ましい。
【００５０】
このような構成によれば、光出射端面近傍における活性層は、基板の主面に比べて傾いて形成されることになる。このとき、光出射端面近傍における活性層は大幅に成長速度が変化するため、吸収端波長を大きく短波長化することができる。また、傾きは６度以内であるため、光出射端面近傍以外の領域の活性層を伝搬してきた光は、不要な光損失をほとんど受けることなく、傾いた活性層に伝搬されていく。その結果、不要な光損失を引き起こすことなく光出射端面近傍における吸収を低減させることができることから、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００５１】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記基板の主面は（０００１）面であることが好ましい。
【００５２】
このような構成によれば、前記凹凸構造によって活性層の層厚および混晶組成を大きく変調することができる。なぜならば、一般に活性層に用いられるＩｎＧａＮは面方位依存性が強く、特に（０００１）面とその他の面方位とでは大幅に異なるためである。この特徴を用いることにより、光出射端面近傍における活性層の遷移波長を劇的に短波長化することができ、その結果、光学損傷の低減とさらなる高出力化を実現できる。
【００５３】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記基板の主面は（１１−２０）面であることが好ましい。
【００５４】
このような構成によれば、半導体レーザを分極の少ない（１１−２０）面にて作製することができるため、歪量子井戸の結晶成長時において発振波長の設計を行いやすいという利点が得られる。
【００５５】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記光出射端面近傍の直上において、電極が存在しないことが好ましい。
【００５６】
このような構成によれば、光出射端面への電流注入はなされない。このとき、端面における界面準位あるいは表面準位によるリーク電流を低減することができるため、高出力な窒化物半導体レーザを実現することができる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明に係わる窒化物半導体レーザによると、窒化物半導体の結晶成長における強い面方位依存性を積極利用することにより、光出射端面近傍における光導波路構造直下の活性層の遷移波長を相対的に短波長化させることができる。その結果、作製プロセスを煩雑化させることなく、光出射端面近傍における光吸収を低減させることで光学損傷を防ぐことができるため、高出力化かつ低コスト化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】
【００５８】
ここでは、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００５９】
まず、ここでは発明者らが得た実験事実について述べる。
【００６０】
図１（ａ）は、各面方位において結晶成長したＩｎＧａＮの成長速度とインジウム組成である。成長にはガリウム、インジウムおよび窒素の前駆体として、それぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびアンモニア（ＮＨ３）を用いている。また、成長条件は全て同じにしており、成長温度７９０℃、Ｖ族とIII族の供給比率（Ｖ／III比）を６０００としており、成長は減圧３００Ｔｏｒｒにて実施している。図１（ａ）より、本成長条件では、（０００１）面におけるインジウム組成が最も高く、そこから（１１−２２）面、（１１−２０）面と傾いていくに従い、インジウムの取り込みが鈍ることがわかる。特に（０００１）面と（１１−２０）面を比較すると、３倍程度の違いがあることがわかる。一方、成長速度に関しては、インジウム組成の場合と同様、（０００１）面が最も高い。次に（１１−２０）面の成長速度が高く、（１１−２２）面に対する成長速度は最も低いことがわかる。これは、面方位によって露出している原子種の密度が異なることに起因している。すなわち、（０００１）面は表面が全てIII族原子に覆われているのに対し、（１１−２０）面ではIII族原子と窒素原子が１：１、（１１−２２）面では窒素原子による占有が圧倒的に多くなるためである。このように、窒化物半導体は面方位に対して成長の依存性が強いことがわかる。また、（１−１０１）面についても（１１−２２）面と同様、窒素原子による占有が多いため、（１１−２２）面と同じ結果となる。
【００６１】
次に、各面方位に対してＩｎＧａＮ／ＧａＮ単層量子井戸（ＳＱＷ）構造を結晶成長した場合を考える。ここで、（０００１）面上におけるＩｎＧａＮ井戸層の厚さを３ｎｍと仮定すると、（１１−２０）面および（１１−２２）面における井戸層厚はそれぞれ、約２ｎｍおよび約１ｎｍとなる。これらの膜厚に対するＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の遷移波長を、インジウム組成比を横軸にプロットしたものが、図１（ｂ）である。ここで、ＩｎＧａＮのボウイング定数を２．５ｅＶとしており、また分極による遷移波長への影響はここでは無視している。
【００６２】
先の図１（ａ）にて示した面方位に対する成長膜厚およびインジウム組成の数値を元にして、図１（ｂ）のグラフから遷移波長を求めると、（０００１）面では約４４５ｎｍ（膜厚３ｎｍ、インジウム組成１４％に相当）に対して、（１１−２０）面では約３８３ｎｍ（膜厚２ｎｍ程度、インジウム組成約４％）、（１１−２２）面では約３９５ｎｍ（膜厚１ｎｍ程度、インジウム組成約８％）となる。すなわち、同じ成長条件にも関わらず、面方位によって遷移波長を大幅に変化させることが可能である。そして、成長の面方位に対する依存性は、遷移波長の変化量にして約５０ｎｍにも及ぶ。
【００６３】
また、近接して存在する面方位の異なる半導体層の上に活性層を成長させた場合、成長速度および組成はさらに変調を受ける。そしてその結果、量子井戸の遷移波長も大きく変化する。
【００６４】
ここで、近接して存在する（０００１）面と（１１−２２）面上に活性層を成長させた構造を考える。このとき、先に述べたように（１１−２２）面における成長速度は（０００１）面に比べて３割程度であるため、（１１−２２）面上にある余剰の反応原子種は（０００１）面に流入する。その結果、（０００１）面の成長速度は向上する。また、（１１−２２）面に隣接する（０００１）面にＩｎＧａＮ成長を行った場合、各面方位に対するインジウムの取り込み効率の違いにより、インジウム組成は平坦な（０００１）面に比べて高くなる。
【００６５】
ここで、全露出面積のうち、（１１−２２）面が占有する面積の比率をＲとする。この上にＩｎＧａＮを成長した際の（０００１）面における成長膜厚およびインジウム組成と、それに対応するＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造における遷移波長を図１（ｃ）に示す。なお、（１１−２２）面の露出していない（０００１）面上（Ｒ＝０に相当）にＩｎＧａＮ成長した際の成長膜厚およびインジウム組成をそれぞれ、３ｎｍおよび８％としており、そのときの遷移波長は約４０３ｎｍとなる。次に、面積比率Ｒを上げていくと、図１（ｃ）より、インジウム組成ｘおよび成長膜厚Ｌは増大していくことがわかる。これは、（１１−２２）面から余剰原料が（０００１）面に流入するためである。また、インジウム組成および成長膜厚が増大することから、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造における遷移波長も長波長化する。たとえば、面積比率Ｒ＝５０％の場合、遷移波長は約４１７ｎｍとなり、（０００１）面のみ露出している場合に比べて、約１５ｎｍも長波長化することができる。
【００６６】
すなわち、基板上に凹凸を設け、その上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造による活性層を結晶成長させた場合、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長を、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長よりも相対的に短くできる。その結果、光出射端面近傍における吸収を低減させることができることで、高出力かつ低コストな窒化物半導体レーザを実現することができる。
【００６７】
このときの凹凸構造としては、（１）光出射端面近傍以外の領域において凹凸を設ける、（２）光出射端面近傍において凹凸を設ける、（３）光出射端面近傍と光出射端面近傍以外の領域双方に、光出射端面近傍と光出射端面近傍以外の領域で、基板の主面に平行な面で切った断面形状が異なる凹凸を設ける、の３つがある。（１）では、近接して存在する面方位の異なる半導体層の上に活性層を成長させることにより、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長を長波長化することができる。（２）では、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長を短波長化することができる。（３）では、（１）と（２）の双方の効果が得られ、いずれの場合においても、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長を、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長よりも相対的に短くできる。
【００６８】
（実施の形態１）
図２（ａ）、（ｂ）、及び図３（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。図３（ｂ）が本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの構造図であり、立体図と平面図を示している。分かりやすいように、梁部２０１ｂの近傍を断面図として示している。また、図２（ａ）は、図３（ｂ）の構造における基板と基板上の凹凸構造のみを示した図である。
【００６９】
本実施形態の窒化物半導体レーザでは、図２（ａ）に示すように、（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板２０１上に、凹部２０２ａ、２０２ｂを有する凹凸構造が形成されている。凹部２０２ａ、２０２ｂの深さは３μｍであり、また凹部２０２ａ、２０２ｂの間にある梁部２０１ｂの幅は３μｍとなっている。また、光出射端面を含む２枚の端面２１２ａ、２１２ｂの近傍を平坦部２０１ａとしている。ｎ型ＧａＮ基板の、端面に垂直な辺の長さは２００μｍであり、平坦部２０１ａの範囲は端面から３０μｍである。
【００７０】
図３（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２０１及び凹凸構造からなる構造物上には、活性層を含む半導体多層膜が形成されている。半導体多層膜は、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層２０３、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）２０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）２０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層２０７で構成される。ここで、平坦部２０１ａ上における活性層２０５ｂの遷移波長は、梁部２０１ｂ上における活性層２０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。梁部２０１ｂ近傍における半導体多層膜において、ｎ型ＧａＮ層２０３、ｎ型クラッド層２０４、活性層２０５ｂ、およびｐ型クラッド層２０６は、（０００１）面の周囲が（１１−２２）面にて構成されており、寸法の関係から（１１−２２）面の面積占有比率は約５０％である。平坦な（０００１）面である２０１ａ上に形成された活性層２０５ｂは、厚さ３ｎｍ、インジウム組成８％の井戸層を有しており、図１（ｃ）より遷移波長は約４０３ｎｍとなる。一方、梁部２０１ｂ上における活性層２０５ａの遷移波長は、図１（ｃ）より約４１７ｎｍとなり、平坦部２０１ａ上における活性層２０５ｂに比べて長波長となる。
【００７１】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層２０７の上にはリッジ導波路２０８が形成されている。ここで梁部２０１ｂ上の導波路幅は１．５μｍであり、単一モード条件にてレーザ発振するように設計されている。一方、平坦部２０１ａ上における導波路幅は１．５μｍから徐々に細くなっており、最も細い部分（光出射端面に一致）において０．５μｍになっている。このような構造を用いることにより、光出射端面における光閉じ込めを弱めることができる。
【００７２】
リッジ導波路２０８の上には、絶縁用のＳｉＯ２膜２０９が形成されており、リッジ導波路２０８上のＳｉＯ２膜２０９に電流注入用の穴を開けた部分に、ｐ型電極２１０が形成されている。ここで、ｐ型電極２１０は活性層２０５ａの直上にのみ形成されており、活性層２０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面にはｎ型電極２１１が形成されている。
【００７３】
平坦部２０１ａが成す面に垂直に、光出射端面を含む２枚の端面２１２ａ、２１２ｂが形成されている。ｎ型ＧａＮ基板主面が（０００１）面であることから、端面は（１−１００）面である。
【００７４】
本実施形態の窒化物半導体レーザでは、導波方向に対して活性層の組成および膜厚に違いを有する。これは、凹部２０２ａ、２０２ｂにより、ｎ型ＧａＮ基板２０１上の光出射端面近傍以外の領域においてのみ、主面である（０００１）とそれ以外の面方位が近接して露出することに起因する。すなわち、凹部２０２ａ、２０２ｂを持つｎ型ＧａＮ基板２０１上にｎ型ＧａＮ層２０３を成長した際、凹部の側壁に成長しにくい（１１−２２）面が形成されることで、活性層２０５ａと活性層２０５ｂにおいて組成および膜厚が変調を受けるためである。このとき図３（ｂ）に示したように、活性層２０５ａへ電流注入が行われるため、波長４１７ｎｍにてレーザ発振を起こす。一方、活性層２０５ｂの遷移波長は４０３ｎｍであるため、波長４１７ｎｍに対する吸収はほとんどなく、レーザ光に対してほぼ透明となる。もしこの窒化物半導体レーザに大電流を注入したとすると、活性層２０５ａの領域にのみ注入がなされ、波長４１７ｎｍのレーザ光出力はさらに大出力となる。一方、活性層２０５ｂの領域は依然として透明であるため、光出射端面近傍における光吸収はほとんど発生しない。そのため、光吸収による光出射端面が異常加熱することがないため、高出力時においても光学損傷による素子の劣化は発生しない。すなわち、本窒化物半導体レーザは安定した高出力動作が可能である。
【００７５】
本実施形態において、平坦部２０１ａの範囲があまりに小さすぎると、光が散乱を受け、出力が低下する。逆にｎ型ＧａＮ基板２０１のサイズに対し平坦部２０１ａの割合が大きすぎると、光利得を得られる領域が小さくなりすぎる。好ましい平坦部２０１ａの範囲は、端面に垂直な辺の長さが２００μｍのｎ型ＧａＮ基板２０１に対して、端面から１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、光散乱が少なく、また光利得を得られる領域も十分確保できる。より好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲であるとよい。この範囲であれば、光利得を得られる領域をより広く確保できる。ｎ型ＧａＮ基板２０１の長さと、上記範囲の上限から考えて、十分な光利得が得られる、端面からの平坦部２０１ａの範囲は、ｎ型ＧａＮ基板２０１の長さに対し２５％以下が好ましく、１５％以下がより好ましいことが分かる。
【００７６】
また、リッジ導波路２０８の幅は平坦部２０１ａの上では細くなっている。このとき、平坦部２０１ａ上にあるリッジ導波路２０８直下の実効屈折率は低下するため、光閉じ込め係数は梁部２０１ｂのある領域に比べて約３割程度に低下する。これは、すなわち、光出射端面近傍において活性層２０５ａにおける電界強度が弱くなることを意味し、結果的に活性層２０５ａにおける光吸収を低減することを意味する。このことは、高出力時における光学損傷を低減し、ひいては安定した高出力動作を約束するものである。一方、梁部２０１ｂ上ではリッジ導波路２０８の幅は太くなっているため、十分な活性層への光閉じ込めができる。すなわち、効率的な光増幅ができ、窒化物半導体レーザの高出力化に有利である。
【００７７】
また、平坦部２０１ａ上ではｐ型電極２１０の下にＳｉＯ２膜２０９があるため、光出射端面近傍への電流注入はなされない。光出射端面では結晶の周期性が壊されるため、表面に未結合手が存在する。よって光出射端面にも同様に電流注入がなされていると、この未結合手を介してリーク電流が発生するため、光出射端面が加熱されてしまう。そこで本構造では高出力化のために、平坦部２０１ａ上には電流注入しないように、ＳｉＯ２膜２０９を設置している。
【００７８】
このように本実施の形態１では、（１）下地の段差を用いた導波方向に対する活性層遷移波長の変調、（２）リッジ導波路形状のテーパ化による端面近傍における光吸収密度の低減、（３）電流注入領域の選択による端面リーク電流の低減により、窒化物半導体レーザの高出力時における安定動作および高い信頼性を実現している。
【００７９】
（実施の形態１の製造方法）
図２（ａ）、（ｂ）、及び図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの製造方法を示している。図２に示すIII族窒化物半導体のIII族原料には、ガリウム原料として例えばトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、アルミニウム原料として例えばトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、インジウム原料として例えばトリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）を用い、Ｖ族原料としては窒素原料として例えばアンモニア（以下ＮＨ３）を用い、不純物原料としてｎ型半導体層には例えばシラン（以下ＳｉＨ４）を用いてＳｉを、ｐ型半導体層には例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（以下ＣＰ２Ｍｇ）を用いてＭｇを添加する有機金属化学気相成長方法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：以下ＭＯＣＶＤ法）によって結晶成長させる。
【００８０】
まず、図２（ａ）に示すように（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板２０１上に、凹部２０２ａ、２０２ｂを有する凹凸構造を形成する。凹凸構造は、誘電体マスクとしてＳｉＯ２膜を気相成長法にて堆積した後、光露光法および弗化炭素系反応性イオンエッチングによってパターンをＳｉＯ２膜に転写する。その後、塩素系ドライエッチングによってＳｉＯ２からｎ型ＧａＮ基板２０１にパターン転写した後、弗化水素酸によってＳｉＯ２を全面除去して形成する。このようにして形成された凹部２０２ａ、２０２ｂのエッチング深さは３μｍであり、また凹部２０２ａ、２０２ｂの間にある梁部２０１ｂの幅は３μｍとなっている。
【００８１】
次に図２（ａ）に示された構造に対し、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行う。結晶成長後の層構造を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）では、分かりやすいように凹部２０２ｂの近傍を断面図として示している。ｎ型ＧａＮ基板２０１および凹凸構造からなる構造物上にまず、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層２０３を成長する。
【００８２】
ｎ型ＧａＮ層２０３の成長条件は、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１０００とし、キャリアガスを水素としており、比較的少なめのＶ族供給条件を用いている。このとき凹部の側壁は、結晶成長速度の面方位依存性により、自動的に（１１−２２）面が露出する。なぜならば先に説明した通り、（１１−２２）面は窒素によって構成される面であり、上記のようなＶ族供給量が比較的少なめで、なおかつ気相エッチング性の強い水素キャリアガスの成長条件では（１１−２２）面が不安定化する結果、成長速度が遅くなるためである。
【００８３】
ｎ型ＧａＮ層２０３の上に引き続き、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）２０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）２０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層２０７を成長する。ここでＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０５の成長条件は、成長温度７９０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約６０００とし、キャリアガスの主成分を窒素としており、図１にて説明した条件と同じである。
【００８４】
次に、図２（ｂ）に対して、リッジ導波路２０８を形成した構造が図３（ａ）である。導波路形成には凹凸構造の形成と同様に、塩素系ドライエッチング技術を用いる。そして、ｐ型ＧａＮ層２０７を図３（ａ）のようにエッチングしてリッジ導波路２０８を形成する。
【００８５】
図３（ａ）に示したリッジ導波路構造に対し、絶縁用のＳｉＯ２膜２０９を形成し、リッジ導波路２０８上に電流注入用の穴を開けた部分に、さらにリフトオフ法によりｐ型電極２１０を形成する。ここで、ｐ型電極２１０は活性層２０５ａの直上にのみ形成されており、活性層２０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面には同様にｎ型電極２１１を形成する。最後に、劈開技術により光出射端面を含む２枚の端面２１２ａ、ｂを形成することで、本発明における窒化物半導体レーザが完成する。
【００８６】
なお、本実施の形態１では、活性層２０５ａ、２０５ｂをＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造としているが、ここにアルミニウムが含まれていてもよい。この場合、ＧａＮに格子整合しつつ、遷移波長を設計できるため、窒化物半導体レーザの設計自由度を飛躍的に向上させることができる。
【００８７】
また、図３（ｂ）ではｎ型電極２１１はｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面に形成されているが、ｎ型ＧａＮ基板２０１と電気的に接触していれば、素子構造の上方にあっても本発明の効力は十分に発揮される。このとき、本実施の形態１ではｎ型ＧａＮ基板２０１をｎ型ＧａＮとして記述しているが、サファイアやシリコンといったＧａＮ以外の異種基板を用いることも可能である。
【００８８】
なお、本実施の形態１ではリッジ導波路２０８の幅を平坦部２０１ａ上にて細めることを記述しているが、幅を導波方向に対して一定にしたとしても、本発明の効力は十分に発揮される。しかしながら、さらなる高出力化のためには、リッジ導波路２０８の幅をテーパ状に加工することは効果的である。
【００８９】
また、本実施の形態１では凹部２０２ａ、２０２ｂ上に成長されたｎ型ＧａＮ層２０３〜ｐ型クラッド層２０６は（１１−２２）面が露出している構造として記述しているが、側壁として（１１−２０）面が露出していても、本発明の効力は十分に発揮される。（１１−２０）面を露出させるための具体的な成長条件としては、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１００００とし、キャリアガスの主成分を窒素とするのがよい。この場合、（１１−２２）面は高いＮＨ３／ＴＭＧにより表面が安定化し、なおかつ水素キャリアガスによる気相エッチングも軽微であるため、（１１−２０）面が出やすくなる。このとき、（１１−２０）面は（１１−２２）面よりもさらにインジウム取り込み効率が低いため、活性層２０５ａにおける遷移波長は（１１−２２）面が露出していた時に比べてさらに若干長波長側へさらにシフトさせることができる。表面積に対する（１１−２０）面の面積比率を、（１１−２２）面の場合と同じ５０％と仮定すると、活性層２０５ａにおける遷移波長は（１１−２２）面に比べてさらに若干長波長側へさらにシフトさせることができ、相対的に光出射端面近傍における光吸収を激減させることが可能である。
【００９０】
また、本実施の形態において、平坦部２０１ａは２枚の端面の両方の近傍に存在しているが、必ずしも両方に存在する必要はなく、少なくとも光出射端面となる一方の端面の近傍に存在すればよい。
【００９１】
（実施の形態２）
図４（ａ）、（ｂ）、図５（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。図５（ｂ）が本発明の実施の形態２における窒化物半導体レーザの構造図であり、立体図と平面図を示している。分かりやすいように、凹部３０１ｂの近傍を断面図として示している。図４（ａ）は、図５（ｂ）の構造における、基板と基板上の凹凸構造のみを示した図である。
【００９２】
本実施形態における窒化物半導体レーザでは、図４（ａ）に示すように、（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板３０１上に、凸部３０２ａ、３０２ｂを有する凹凸構造が形成されている。凸部３０２ａ、３０２ｂの高さは１μｍであり、また凸部３０２ａ、３０２ｂの間にある凹部３０１ｂの幅は５μｍである。また、光出射端面を含む２枚の端面３１２ａ、３１２ｂ近傍を平坦部３０１ａとしている。ｎ型ＧａＮ基板の、端面に垂直な辺の長さは２００μｍであり、平坦部３０１ａの範囲は端面から３０μｍである。
【００９３】
図５（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板３０１及び凹凸構造からなる構造物上には、活性層を含む半導体多層膜が形成されている。半導体多層膜は、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層３０３、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）３０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）３０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層３０７で構成される。ただし、ｎ型クラッド層３０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５、ｐ型ＩｎＧａＮクラッド層３０６およびｐ型ＧａＮ層３０７は、凸部３０２ａ、３０２ｂ上には存在しない。平坦部３０１ａ上における活性層３０５ｂの遷移波長は、凹部３０１ｂ上における活性層３０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。凹部３０１ｂ近傍の半導体多層膜において、ｎ型ＧａＮ層３０３、ｎ型クラッド層３０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５、ｐ型クラッド層３０６では、（０００１）面の周囲は（１１−２２）面にて構成されており、寸法の関係から（１１−２２）面の面積占有比率は約５０％である。平坦な（０００１）面である３０１ａ上に形成された活性層３０５ｂは、厚さ３ｎｍ、インジウム組成８％の井戸層を有し、図１（ｃ）より遷移波長は約４０３ｎｍとなる。一方、凹部３０１ｂ上における活性層３０５ａの遷移波長は約４１７ｎｍとなり、平坦部に比べて長波長となっている。
【００９４】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層３０７の上には、リッジ導波路３０８が形成されている。ここで凹部３０１ｂ上の導波路幅は１．５μｍであり、単一モード条件にてレーザ発振するように設計されている。一方、平坦部３０１ａ上のリッジ導波路幅は１．５μｍから徐々に細くなっており、最も細い部分（光出射端面に一致）において０．５μｍになっている。このような構造を用いることにより、光出射端面における光閉じ込めを弱めることができる。リッジ導波路３０８の上には、絶縁用のＳｉＯ２膜３０９が形成されており、リッジ導波路３０８上のＳｉＯ２膜３０９に電流注入用の穴を開けた部分に、ｐ型電極３１０が形成されている。ｐ型電極３１０は活性層３０５ａの直上にのみ形成されており、活性層３０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面にはｎ型電極３１１が形成されている。平坦部３０１ａが成す面に垂直に、光出射端面を含む２枚の端面３１２ａ、３１２ｂが形成されている。ｎ型ＧａＮ基板３０１の主面が（０００１）面であることから、端面は（１−１００）面である。
【００９５】
本実施形態の窒化物半導体レーザでは、活性層の組成および膜厚が導波方向に対して違いを持つ。これは、凸部３０２ａおよび３０２ｂにより、ｎ型ＧａＮ基板３０１上の光出射端面以外の領域においてのみ、主面である（０００１）とそれ以外の面方位が近接して露出することに起因する。すなわち、凸部３０２ａおよび３０２ｂを持つｎ型ＧａＮ基板３０１上にｎ型ＧａＮ層３０３を成長した際、凸部の側壁に（１１−２２）面が形成されることで、活性層３０５ａと活性層３０５ｂにおいて組成および膜厚が変調を受けるためである。このとき図５（ｂ）に示したように、活性層３０５ａへ電流注入が行われるため、波長４１７ｎｍにてレーザ発振を起こす。一方、活性層３０５ｂの遷移波長は４０３ｎｍであるため、波長４１７ｎｍに対する吸収はほとんどなく、レーザ光に対してほぼ透明となる。もしこの窒化物半導体レーザに大電流を注入したとすると、活性層３０５ａの領域にのみ電流注入がなされ、波長４１７ｎｍのレーザ光出力はさらに大出力となる。一方、活性層３０５ｂの領域は依然として透明であるため、光出射端面における光吸収はほとんど発生しない。そのため、光吸収による光出射端面が異常加熱することがないため、高出力時においても光学損傷による素子の劣化は発生しない。すなわち、本窒化物半導体レーザは安定した高出力動作が可能である。
【００９６】
また、ｎ型クラッド層３０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５、ｐ型クラッド層３０６およびｐ型ＧａＮ層３０７は、凸部３０２ａおよび３０２ｂ上には存在しない。よって凹部３０１ｂの周辺において吸収となりうる活性層は全て除去されることから、余計な吸収損失をなくせるという利点がある。そのため、さらに低電流にて高い光出力動作をさせることができる。
【００９７】
本実施形態において、平坦部３０１ａの範囲があまりに小さすぎると、光が散乱を受け、出力が低下する。逆にｎ型ＧａＮ基板３０１のサイズに対し平坦部３０１ａの割合が大きすぎると、光利得を得られる領域が小さくなりすぎる。好ましい平坦部３０１ａの範囲は、面に垂直な辺の長さが２００μｍのｎ型ＧａＮ基板３０１に対して、端面から１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、光散乱が少なく、また光利得を得られる領域も十分確保できる。より好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲であるとよい。この範囲であれば、光利得を得られる領域をより広く確保できる。ｎ型ＧａＮ基板３０１の長さと、上記範囲の上限から考えて、十分な光利得が得られる、端面からの平坦部３０１ａの範囲は、ｎ型ＧａＮ基板３０１の長さに対し２５％以下が好ましく、１５％以下がより好ましいことが分かる。
【００９８】
（実施の形態２の製造方法）
図４（ａ）、（ｂ）及び図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体レーザの製造方法を示している。
【００９９】
本発明の実施の形態２における窒化物半導体レーザでは、実現のためにＭＯＣＶＤ技術を用いる。なお、使用する原料は先の実施の形態１にて説明したものと同じである。
【０１００】
まず、図４（ａ）に示すように（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板３０１上に、凸部３０２ａ、３０２ｂを有する凹凸構造を形成する。凹凸構造は、誘電体マスクとしてＳｉＯ２膜を気相成長法にて堆積した後、光露光法および弗化炭素系反応性イオンエッチングによってパターンをＳｉＯ２膜に転写する。その後、塩素系ドライエッチングによってＳｉＯ２からｎ型ＧａＮ基板３０１にパターン転写した後、弗化水素酸によってＳｉＯ２を全面除去して形成する。このようにして形成された凸部３０２ａ、３０２ｂの高さは１μｍであり、また凸部３０２ａ、３０２ｂの間にある凹部３０１ｂの幅は５μｍとなっている。また、それ以外の平坦部を３０１ａとする。
【０１０１】
次に図４（ａ）に示された構造に対し、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行う。結晶成長後の層構造を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）では、分かりやすいように凹部３０１ｂの近傍を断面図として示している。凹凸構造上にまず、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層３０３を成長する。ｎ型ＧａＮ層３０３の成長条件は、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１０００とし、キャリアガスの主成分を水素としている。このとき凸部の側壁には、（１１−２２）面が露出する。なぜならば先に説明した通り、（１１−２２）面は窒素によって構成される面であり、上記のようなＶ族供給量が比較的少なめで、なおかつ気相エッチング性の強い水素キャリアガスの成長条件では（１１−２２）面が不安定化する結果、成長速度が遅くなるためである。ｎ型ＧａＮ層３０３を成長する結果、凸部３０２ａ、３０３ｂの側壁から横方向にも成長されるため、凹部３０１ｂの幅は２μｍ程度にまで狭くなる。
【０１０２】
ｎ型ＧａＮ層３０３の上に引き続き、５０ｎｍ厚のｎ型クラッド層３０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５、５０ｎｍ厚のｐ型クラッド層３０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層３０７を結晶成長する。ここでＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５の成長条件は、成長温度７９０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約６０００とし、キャリアガスの主成分を窒素としている。これは、図１にて説明した条件と同じである。本成長条件においてｐ型ＧａＮ層３０７を結晶成長すると、縦方向に比べて横方向への成長速度が速いため、図４（ｂ）に示すように表面が均一に埋まった形状となる。
【０１０３】
次に、図４（ｂ）に対して、リッジ導波路３０８を形成した構造が図５（ａ）である。導波路形成には凹凸構造の形成と同様に、塩素系ドライエッチング技術を用いる。そして、ｐ型ＧａＮ層３０７を図５（ａ）のようにエッチングしてリッジ導波路３０８を形成する。また、凸部上のｐ型ＧａＮ層３０７は凹部３０１ｂ上に比べて薄いため、リッジ導波路３０８をエッチング形成する際、凸部上の活性層も同様にエッチングされている。
【０１０４】
図５（ａ）に示したリッジ導波路構造に対し、絶縁用のＳｉＯ２膜３０９を形成し、リッジ導波路３０８上に電流注入用の穴を開けた部分に、さらにリフトオフ法によりｐ型電極３１０を形成する。ここで、ｐ型電極３１０は活性層３０５ａの直上にのみ形成されており、活性層３０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面には同様にｎ型電極３１１を形成する。最後に、劈開技術により光出射端面を含む２枚の端面３１２ａ、３１２ｂを形成することで、本発明における窒化物半導体レーザが完成する。
【０１０５】
本実施形態の製造方法において、図５（ａ）のリッジ導波路３０８を形成する際に、凸部３０２ａ、３０２ｂ上にあったＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層３０５もドライエッチング技術によって除去されている。これは、本成長条件によると、ｐ型ＧａＮ層３０７の成長時に凹部が埋まって平坦となるためであり、凸部のｐ型ＧａＮ層の膜厚が相対的に薄くなるためである。このため、凹部３０１ｂの周辺において吸収となりうる活性層は全て除去されることから、余計な吸収損失をなくせるという利点がある。そのため、さらに低電流にて高い光出力動作をさせることができる。
【０１０６】
そして本実施の形態では、ｎ型ＧａＮ層３０３の成長条件を変えることによって、凹部３０１ｂの幅を制御することができる。成長速度の横／縦比が大きい場合、エッチングにて形成した際の谷部の幅を、成長によって狭めることができる。すなわち、エッチング時における谷部形成には、あまり極微細な加工を必要とせず、さらに加工を簡略化することができるというメリットがある。
【０１０７】
なお、本実施の形態２では、活性層３０５ａ、３０５ｂをＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造としているが、ここにアルミニウムが含まれていてもよい。この場合、ＧａＮに格子整合しつつ、遷移波長を設計できるため、窒化物半導体レーザの設計自由度を飛躍的に向上させることができる。
【０１０８】
また、図５（ｂ）ではｎ型電極３１１はｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面に形成されているが、ｎ型ＧａＮ基板３０１と電気的に接触していれば、素子構造の上方にあっても本発明の効力は十分に発揮される。このとき、本実施の形態２ではｎ型ＧａＮ基板３０１をｎ型ＧａＮとして記述しているが、サファイアやシリコンといったＧａＮ以外の異種基板を用いることも可能である。
【０１０９】
なお、本実施の形態２ではリッジ導波路３０８の幅を平坦部３０１ａ上にて細めることを記述しているが、幅を導波方向に対して一定にしたとしても、本発明の効力は十分に発揮される。しかしながら、さらなる高出力化のためには、リッジ導波路３０８の幅をテーパ状に加工することは効果的である。
【０１１０】
また、本実施の形態１では凹部２０２ａ、２０２ｂ上に成長されたｎ型ＧａＮ層３０３〜ｐ型クラッド層３０６は（１１−２２）面が露出している構造として記述しているが、側壁として（１１−２０）面が露出していても、本発明の効力は十分に発揮される。（１１−２０）面を露出させるための具体的な成長条件としては、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１００００とし、キャリアガスの主成分を窒素とするのがよい。この場合、（１１−２２）面は高いＮＨ３／ＴＭＧにより表面が安定化し、なおかつ水素キャリアガスによる気相エッチングも軽微であるため、（１１−２０）面が出やすくなる。このとき、（１１−２０）面は（１１−２２）面よりもさらにインジウム取り込み効率が低いため、活性層３０５ａにおける遷移波長は（１１−２２）面が露出していた時に比べてさらに若干長波長側へさらにシフトさせることができる。表面積に対する（１１−２０）面の面積比率を、（１１−２２）面の場合同じ５０％と仮定すると、活性層３０５ａにおける遷移波長は（１１−２２）面に比べてさらに若干長波長側へさらにシフトさせることができ、相対的に光出射端面近傍における光吸収を激減させることが可能である。
【０１１１】
また、本実施の形態において、平坦部３０１ａは２枚の端面の両方の近傍に存在しているが、必ずしも両方に存在する必要はなく、少なくとも光出射端面となる一方の端面の近傍に存在すればよい。
【０１１２】
（実施の形態３）
図６（ａ）、（ｂ）、及び図７（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態３における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。図７（ｂ）が本発明の実施の形態３における窒化物半導体レーザの構造図であり、立体図と平面図を示している。分かりやすいように、間隙部４０１ｂの近傍を断面図として示している。図６（ａ）は、図７（ｂ）の構造における、基板と基板上の凹凸構造のみを示した図である。
【０１１３】
図６（ａ）に示すように、（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板４０１上に、ＳｉＯ２による誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂが形成されている。誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂは、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜により形成されている。このようにして形成された誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂの開口部のうち狭い領域である間隙部４０１ｂの幅は５μｍである。誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂの開口部は、間隙部４０１ｂから光出射端面を含む２枚の端面４１２ａ、４１２ｂ（図７（ｂ）参照）近傍に近づくにつれてテーパ状に広くなっており、この部分をテーパ状間隙部４０１ａとする。テーパ状間隙部４０１ａの幅は、端面４１２ａ、４１２ｂが形成された端部において３０μｍとなっている。ｎ型ＧａＮ基板４０１の、端面に垂直な辺の長さは２００μｍであり、間隔４０１ｂの幅がテーパ状に広くなり始める位置は、端面から３０μｍの位置である。
【０１１４】
図７（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板４０１と誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂからなる構造物上には、活性層を含む半導体多層膜が形成されている。半導体多層膜は、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層４０３、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）４０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）４０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層４０７で構成される。ｎ型ＧａＮ層４０３、ｎ型クラッド層４０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４０５、ｐ型クラッド層４０６、およびｐ型ＧａＮ層４０７では、光出射端面に平行な面で切った断面が台形状である。また、テーパ状間隙部４０１ａ上の活性層４０５ｂは、（０００１）面から光出射端面の面方向に向けて若干傾いている。間隙部４０１ｂ近傍の半導体多層膜において、ｎ型ＧａＮ層４０３、ｎ型クラッド層４０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４０５、ｐ型クラッド層４０６では、（０００１）面の周囲が（１１−２２）面にて構成されている。テーパ状間隙部４０１ａ上における活性層４０５ｂの遷移波長が４０３ｎｍであるのに対し、狭い間隙部４０１ｂ上における活性層４０５ａの遷移波長は４１７ｎｍであり、活性層４０５ｂの遷移波長は、活性層４０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。
【０１１５】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮ層４０７の上には、リッジ導波路４０８が形成されている。ここで狭い間隙部４０１ｂ上の導波路幅は１．５μｍであり、単一モード条件にてレーザ発振するように設計されている。一方、開口幅の広いテーパ状間隙部４０１ａ上のリッジ導波路幅は１．５μｍから徐々に細くなっており、最も細い部分（光出射端面に一致）において０．５μｍになっている。このような構造を用いることにより、光出射端面における光閉じ込めを弱めることができる。
【０１１６】
リッジ導波路２０８の上には、絶縁用のＳｉＯ２膜４０９が形成されており、リッジ導波路４０８上のＳｉＯ２膜４０９に電流注入用の穴を開けた部分に、ｐ型電極４１０が形成されている。ここで、ｐ型電極４１０は活性層４０５ａの直上にのみ形成されており、活性層４０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面にはｎ型電極４１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板４０１の主面に垂直に、光出射端面を含む２枚の端面４１２ａ、４１２ｂが形成されている。
【０１１７】
本実施形態の窒化物半導体レーザでは、活性層の組成および膜厚が導波方向に対して違いを持つ。これは先に説明したように、開口幅が変化している誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂにより成長様式が変調されることに起因する。このとき図７（ｂ）に示したように、活性層４０５ａへ電流注入が行われるため、波長４１７ｎｍにてレーザ発振を起こす。一方、活性層４０５ｂの遷移波長は４０３ｎｍであるため、波長４１７ｎｍに対する吸収はほとんどなく、レーザ光に対してほぼ透明となる。もしこの窒化物半導体レーザに大電流を注入したとすると、活性層４０５ａの領域にのみ電流注入がなされ、波長４１７ｎｍのレーザ光出力はさらに大出力となる。一方、活性層４０５ｂの領域は依然として透明であるため、光出射端面における光吸収はほとんど発生しない。そのため、光吸収による光出射端面が異常加熱することがないため、高出力時においても光学損傷による素子の劣化は発生しない。すなわち、本窒化物半導体レーザは安定した高出力動作が可能である。
【０１１８】
本実施形態において、テーパ状間隙部４０１ａの範囲があまりに小さすぎると、光が散乱を受け、出力が低下する。逆にｎ型ＧａＮ基板４０１のサイズに対しテーパ状間隙部４０１ａの割合が大きすぎると、光利得を得られる領域が小さくなりすぎる。好ましいテーパ状間隙部４０１ａの範囲は、端面に垂直な辺の長さが２００μｍのｎ型ＧａＮ基板に対して、端面から１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、光散乱が少なく、また光利得を得られる領域も十分確保できる。より好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲であるとよい。この範囲であれば、光利得を得られる領域をより広く確保できる。ｎ型ＧａＮ基板４０１の長さと、上記範囲の上限から考えて、十分な光利得が得られる、端面からのテーパ状間隙部４０１ａの範囲は、ｎ型ＧａＮ基板４０１の長さに対し２５％以下が好ましく、１５％以下がより好ましいことが分かる。
【０１１９】
そして本実施の形態３では、ｎ型ＧａＮ基板４０１上に誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂを形成し、選択成長を行うだけで、高出力な窒化物半導体レーザを形成することが可能であり、コストの上昇をほとんど伴わずに実現できることが利点である。
【０１２０】
また、光出射端面近傍における活性層４０５ｂの遷移波長は短波長であることから屈折率は活性層４０５ａに比べて低く、なおかつ縦方向の膜厚も低いため、縦方向の光閉じ込めは弱くなっている。そして、リッジ導波路４０８は光出射端面において幅が狭くなっているため、横方向の光閉じ込めも弱い。その結果、光出射端面における活性層の光電界強度はかなり低いため、高光出力動作においても光学損傷が発生しにくくすることができる。
【０１２１】
図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体レーザの製造方法を示している。
【０１２２】
本発明の実施の形態３における窒化物半導体レーザでは、実現のためにＭＯＣＶＤ技術を用いる。なお、使用する原料は先の実施の形態１にて説明したものと同じである。
【０１２３】
まず、図６（ａ）に示すように（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板４０１上に、ＳｉＯ２による誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂが形成する。誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂは、厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を気相成長法にて堆積した後、光露光法および弗化炭素系反応性イオンエッチングによってパターンをＳｉＯ２膜に転写して形成している。このようにして形成された誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂの開口部のうち狭い領域である間隙部４０１ｂの幅は５μｍである。誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂの開口部は、間隙部４０１ｂから光出射端面を含む２枚の端面４１２ａ、４１２ｂ近傍に近づくにつれてテーパ状に広くなっており、この部分をテーパ状間隙部４０１ａとする。テーパ状間隙部４０１ａの幅は、端面４１２ａ、４１２ｂが形成された端部において３０μｍとなっている。
【０１２４】
次に図６（ａ）に示された構造に対し、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行う。結晶成長後の層構造を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では、分かりやすいように間隙部４０１ｂの近傍を断面図として示している。図６（ａ）に示された構造上にまず、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層４０３を成長する。ｎ型ＧａＮ層４０３の成長条件は、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１０００とし、キャリアガスの主成分を水素としている。このときテーパ状間隙部４０１ａ、及び間隙部４０１ｂからは、断面が台形状のｎ型ＧａＮ層４０３が結晶成長される。そして、台形の側壁には（１１−２２）面が自動的に露出される。これは、本成長条件はＮＨ３／ＴＭＧ比が低く、なおかつ水素による気相エッチングが促進するために、不安定である（１１−２２）面が露出しやすいためである。ｎ型ＧａＮ層４０３を成長する結果、横方向への成長速度は縦方向へのそれに比べて低いため、テーパ状間隙部４０１ａ、及び間隙部４０１ｂの幅はあまり増加しない。
【０１２５】
ｎ型ＧａＮ層４０３の上に引き続き、５０ｎｍ厚のｎ型クラッド層４０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層４０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層４０７を結晶成長する。ここでＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４０５の成長条件は、成長温度７９０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約６０００とし、キャリアガスの主成分を窒素としている。これは、図１にて説明した条件と同じである。先ほど図１を用いて述べたように、開口幅の広いテーパ状間隙部４０１ａ上における活性層４０５ｂの遷移波長は、開口幅の狭い間隙部４０１ｂ上における活性層４０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。
【０１２６】
これは、以下の３つの理由によるものである。まず１つ目は、誘電体マスクの開口幅に依存して成長速度が変化するもので、開口幅の広いテーパ状間隙部４０１ａ上の活性層４０５ｂは成長速度が遅い結果、遷移波長が短波長化するものである。そして２つ目は、ＩｎＧａＮの面方位依存性に起因するものである。すなわち、開口幅の狭い間隙部４０１ｂ上の活性層４０５ａは、ＩｎＧａＮ成長速度が低く、なおかつＩｎ組成の低くなる（１１−２２）面の露出面積が（０００１）面の露出面積に比べて相対的に比率が高いため、活性層４０５ａにおけるＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成は相対的に高くなり、その結果、遷移波長が長波長化するものである。そして３つ目の理由は、開口幅の広いテーパ状間隙部４０１ａの幅がテーパ状に変化していることに起因するものである。この場合、開口幅による成長速度の依存性により狭い間隙部４０１ｂに近いほど成長速度は速く、開口幅の広い端部に近づくほど成長速度は遅くなる。その結果、ｎ型ＧａＮ層４０３を結晶成長した後、その表面には微傾斜が形成され、（０００１）面よりも若干傾くことになる。そしてＩｎＧａＮは面方位が（０００１）面から傾斜するとＩｎの取り込み効率が低下するため、テーパ状間隙部４０１ａ上における活性層４０５ｂの遷移波長は短波長化する。以上の３点の理由により、テーパ状間隙部４０１ａ上の活性層４０５ｂは短波長化させることができる。
【０１２７】
ここで、テーパ状間隙部４０１ａ上の活性層４０５ｂは、（０００１）面から６度以内の傾斜角でなければならない。これは、レーザ光を活性層４０５ａから活性層４０５ｂへ効率よく伝搬させるためであり、６度を超えると導波路の急激な曲がりによる損失が著しく増大してしまうため、高光出力動作に支障をきたしてしまう。そのため、テーパ状間隙部４０１ａの幅は光の導波方向に対して緩やかでなければならず、たとえば長さ２０μｍに対し、テーパ幅は５μｍから３０μｍに連続的に変化しなければならない。
【０１２８】
次に、図６（ｂ）に対して、リッジ導波路４０８を形成した構造が図７（ａ）である。導波路形成には凹凸構造の形成と同様に、塩素系ドライエッチング技術を用いる。そして、ｐ型ＧａＮ層４０７を図７（ａ）のようにエッチングしてリッジ導波路４０８を形成する。
【０１２９】
図６（ａ）に示したリッジ導波路構造に対し、絶縁用のＳｉＯ２膜４０９を形成し、リッジ導波路４０８上に電流注入用の穴を開けた部分に、さらにリフトオフ法によりｐ型電極４１０を形成する。ここで、ｐ型電極４１０は活性層４０５ａの直上にのみ形成されており、活性層４０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面には同様にｎ型電極４１１を形成する。最後に、劈開技術により光出射端面を含む２枚の端面４１２ａ、４１２ｂを形成することで、本発明における窒化物半導体レーザが完成する。
【０１３０】
なお、本実施の形態３では、活性層４０５ａ、４０５ｂをＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造としているが、ここにアルミニウムが含まれていてもよい。この場合、ＧａＮに格子整合しつつ、遷移波長を設計できるため、窒化物半導体レーザの設計自由度を飛躍的に向上させることができる。
【０１３１】
また、図７（ｂ）ではｎ型電極４１１はｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面に形成されているが、ｎ型ＧａＮ基板４０１と電気的に接触していれば、素子構造の上方にあっても本発明の効力は十分に発揮される。このとき、本実施の形態３ではｎ型ＧａＮ基板４０１をｎ型ＧａＮとして記述しているが、サファイアやシリコンといったＧａＮ以外の異種基板を用いることも可能である。
【０１３２】
なお、本実施の形態３ではリッジ導波路４０８の幅をテーパ状間隙部４０１ａ上にて細めることを記述しているが、幅を導波方向に対して一定にしたとしても、本発明の効力は十分に発揮される。しかしながら、さらなる高出力化のためには、リッジ導波路４０８の幅をテーパ状に加工することは効果的である。
【０１３３】
また、本実施の形態３では端面近傍においても誘電体マスク４０２ａ、４０２ｂが存在して書かれているが、端面近傍において誘電体マスクがなくなっていてもよい。この場合、端部においては平坦成長している場合と同じになり、間隙部４０１ｂ上の活性層４０５ｂにおける成長様式と最も差を持たせることが可能となる。
【０１３４】
なお、ｎ型ＧａＮ層４０３の側壁には（１１−２２）面が露出している構造として記述しているが、側壁として（１１−２０）面が露出していても、本発明の効力は十分に発揮される。（１１−２０）面を露出させるための具体的な成長条件としては、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１００００とし、キャリアガスの主成分を窒素とするのがよい。この場合、窒素極性である（１１−２２）面は安定化し、なおかつ水素による気相エッチングが少ないため、（１１−２２）面の成長が促進される結果、（１１−２０）面が出やすくなる。この場合も同様に、活性層４０５ａ、４０５ｂにおける遷移波長に差を持たせることが可能である。
【０１３５】
また、本実施の形態において、テーパ状間隙部４０１ａは２枚の端面の両方の近傍に存在しているが、必ずしも両方に存在する必要はなく、少なくとも光出射端面となる一方の端面の近傍に存在すればよい。
【０１３６】
（実施の形態４）
図８（ａ）、（ｂ）、及び図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。図９（ｂ）が本発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの構造図であり、立体図と平面図を示している。分かりやすいように素子の中央付近を断面図として示している。図８（ａ）は、図９（ｂ）の構造における、基板と基板上の凹凸構造のみを示した図である。
【０１３７】
本実施の形態においては、図８（ａ）に示すように、（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板５０１上に、凹凸部５０２ａと凹部５０２ｂから成る凹凸構造が形成されている。凹凸部５０２ａは、〈１１−２０〉方向に対して平行に形成されている。凹凸部５０２ａの深さは０．０５μｍ、凹部５０２ｂの深さは３μｍである。また、凹部５０２ｂの間にある梁部５０１ａの幅は３μｍとなっている。凹凸部５０２ａは矩形状の凹凸となっている。凹凸部５０２ａは光出射端面を含む２枚の端面５１２ａ、５１２ｂの近傍に形成されている。ｎ型ＧａＮ基板５０１の、端面に垂直な辺の長さは２００μｍであり、凹凸部５０２ａの範囲は端面から３０μｍである。
【０１３８】
図９（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板５０１及び凹凸構造から成る構造物上には、活性層を含む半導体多層膜が形成されている。半導体多層膜は、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層５０３、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）５０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層５０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）５０６および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層５０７で構成される。ここで、凹凸部５０２ａ上における活性層５０５ｂの遷移波長は、梁部５０１ａ上における活性層５０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。梁部５０１ａ近傍における半導体多層膜において、ｎ型ＧａＮ層５０３、ｎ型クラッド層５０４、活性層５０５ａ、およびｐ型クラッド層５０６は、（０００１）面の周囲が（１１−２２）面にて構成されており、寸法の関係から、（１１−２２）面の面積占有比率は約５０％である。これは、実施の形態１における梁部２０１ｂ上の活性層２０５ａと同様の条件なので、活性層５０５ａの遷移波長は図１（ｃ）より約４１７ｎｍとなる。また、凹凸部５０２ａ上のｎ型ＧａＮ層５０３〜ｐ型クラッド層５０６は（１−１０１）面にて構成されているため、活性層５０５ｂのＩｎＧａＮ膜厚およびＩｎ組成が、平坦な（０００１）面に形成された活性層に比べて低減される。その結果、活性層５０５ｂの遷移波長は、平坦な（０００１）面に比べ短波長化する。実施の形態１において、平坦な（０００１）面に形成された活性層の井戸層は、厚さ３ｎｍ、インジウム組成は８％だったので、図１（ａ）の関係より、（１−１０１）面上の活性層５０５ｂの井戸層のは厚さは１ｎｍ、インジウム組成は約５％となる。ここで、（１−１０１）面における窒化物半導体層の成長依存性は、（１１−２２）面とほぼ同じとしている。この井戸層厚、インジウム組成と図１（ｂ）から、活性層５０５ｂの遷移波長は３７５ｎｍとなる。
【０１３９】
ｐ型ＧａＮ層５０７の上には、リッジ導波路５０８が形成されている。ここで梁部５０１ａ上の導波路幅は１．５μｍであり、単一モード条件にてレーザ発振するように設計されている。一方、凹凸部５０２ａ上における導波路幅は１．５μｍから徐々に細くなっており、最も細い部分（光出射端面に一致）において０．５μｍになっている。このような構造を用いることにより、光出射端面における光閉じ込めを弱めることができる。
【０１４０】
リッジ導波路５０８の上には、絶縁用のＳｉＯ２膜５０９が形成されており、リッジ導波路５０８上のＳｉＯ２膜５０９に電流注入用の穴を開けた部分に、ｐ型電極５１０が形成されている。ここで、ｐ型電極５１０は活性層５０５ａの直上にのみ形成されており、活性層５０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板５０１の裏面にはｎ型電極５１１が形成されている。ｎ型ＧａＮ基板５０１の主面に垂直に、光出射端面を含む２枚の端面５１２ａ、５１２ｂが形成されている。ｎ型ＧａＮ基板５０１の主面が（０００１）面であることから、端面は（１−１００）面である。
【０１４１】
本実施の形態の窒化物半導体レーザでは、活性層の組成および膜厚が導波方向に対して違いを持つ。これは、ｎ型ＧａＮ基板５０１の上の光出射端面近傍以外の領域において、主面である（０００１）以外とそれ以外の面方位が近接して露出し、且つ、ｎ型ＧａＮ基板上の光出射端面近傍の領域においては、（１−１０１）面が露出することに起因する。すなわち、凹部５０２ｂを持つｎ型ＧａＮ基板５０１上にｎ型ＧａＮ層５０３を成長した際、凹部５０２ｂの側壁に（１１−２２）面が形成され、また凹凸部５０２ａ上にｎ型ＧａＮ層５０３を形成した際、（１−１０１）面が形成されることにより、活性層５０５ａと活性層５０５ｂにおいて組成および膜厚が変調を受けるためである。このとき図９（ｂ）に示したように、活性層５０５ａにのみ電流注入が行われるため、波長４１７ｎｍにてレーザ発振を起こす。一方、活性層５０５ｂの遷移波長は３７５ｎｍであるため、波長４１７ｎｍに対する吸収はほとんどなく、レーザ光に対しほぼ透明となる。もしこの窒化物半導体レーザに大電流を注入したとすると、活性層５０５ａの領域にのみ注入がなされ、波長４１７ｎｍのレーザ光出力はさらに大出力となる。一方、活性層５０５ｂの領域は依然として透明であるため、光出射端面近傍における光吸収はほとんど発生しない。そのため、光吸収による光出射端面が異常加熱することがないため、高出力時においても光学損傷による素子の劣化は発生しない。すなわち、本窒化物半導体レーザは安定した高出力動作が可能である。
【０１４２】
本実施形態において、凹凸部５０２ａの範囲があまりに小さすぎると、光が散乱を受け、出力が低下する。逆にｎ型ＧａＮ基板５０１のサイズに対し凹凸部５０２ａの割合が大きすぎると、光利得を得られる領域が小さくなりすぎる。好ましい凹凸部５０２ａの範囲は、端面に垂直な辺の長さが２００μｍのｎ型ＧａＮ基板５０１に対して、端面から１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、光散乱が少なく、また光利得を得られる領域も十分確保できる。より好ましくは、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲であるとよい。この範囲であれば、光利得を得られる領域をより広く確保できる。ｎ型ＧａＮ基板５０１の長さと、上記範囲の上限から考えて、十分な光利得が得られる、端面からの凹凸部５０２ａの範囲は、ｎ型ＧａＮ基板５０１の長さに対し２５％以下が好ましく、１５％以下がより好ましいことが分かる。
【０１４３】
また、リッジ導波路５０８の幅は凹凸部５０２ａの上では細くなっている。このとき、凹凸部５０２ａ上にあるリッジ導波路５０８直下の実効屈折率は低下するため、光閉じ込め係数は梁部５０１ａのある領域に比べて約３割程度に低下する。すなわち、光出射端面近傍において活性層５０５ｂにおける電界強度は弱くなることを意味し、結果的に活性層５０５ｂにおける光吸収を低減することを意味する。このことは、高出力時における光学損傷を低減し、ひいては安定した高出力動作を約束するものである。一方、梁部５０１ａ上ではリッジ導波路５０８の幅は太くなっているため、十分な活性層への光閉じ込めができる。すなわち、効率的な光増幅ができ、窒化物半導体レーザの高出力化に有利である。
【０１４４】
また、凹凸部５０２ａ上ではｐ型電極５１０の下にＳｉＯ２膜５０９があるため、光出射端面近傍への電流注入はなされない。光出射端面では結晶の周期性が壊されるため、表面に未結合手が存在する。光出射端面にも同様に電流注入がなされていると、この未結合手を介してリーク電流が発生するため、光出射端面が加熱されてしまう。そこで本構造では高出力化のために、凹凸部５０２ａ上には電流注入しないように、ＳｉＯ２膜５０９を設置している。
【０１４５】
このように本実施の形態４では、光出射端面近傍と光出射端面近傍以外の領域において異なる形状の凹凸を形成することにより、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長を短波長化し、逆に光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層を長波長化している。よって、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長は、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長よりも、相対的に短波長となる。
【０１４６】
尚、本実施の形態において、光出射端面近傍にのみ凹凸部５０２ａを形成し、光出射端面近傍以外の領域では凹凸がなく平坦としてもよい。この場合、光出射端面近傍の活性層の遷移波長は３７５ｎｍとなり、平坦な（０００１）面である光出射端面近傍以外の領域の活性層の遷移波長は４０３ｎｍとなり、光出射端面近傍における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長は、光出射端面近傍以外の領域における、光導波路構造直下の活性層の遷移波長よりも、相対的に短波長となる。
【０１４７】
（実施の形態４の製造方法）
図８（ａ）、（ｂ）、及び図９（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザの製造方法を示している。本発明の実施の形態４における窒化物半導体レーザでは、実現のためにＭＯＣＶＤ技術を用いる。なお、使用する原料は先の実施の形態１にて説明したものと同じである。
【０１４８】
まず、図８（ａ）に示すように（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮ基板５０１上に、凹凸部５０２ａを形成する。凹凸部５０２ａは、＜１１−２０＞方向に対して平行に形成されている。凹凸部５０２ａの作製方法は、誘電体マスクとしてＳｉＯ２膜を気相成長法にて堆積した後、光露光法あるいは電子ビーム露光法と弗化炭素系反応性イオンエッチングによってパターンをＳｉＯ２膜に転写する。その後、塩素系ドライエッチングによってＳｉＯ２からＧａＮ基板５０１にパターン転写した後、弗化水素酸によってＳｉＯ２を全面除去して形成する。このようにして形成された凹凸部５０２ａのエッチング深さは０．０５μｍである。ドライエッチングの結果、凹凸部５０２ａは矩形状の凹凸となっている。また、同様の方法で、凹部５０２ｂを形成する。凹部５０２ｂのエッチング深さは３μｍであり、凹部５０２ｂの間にある梁部５０１ａの幅は３μｍとなっている。
【０１４９】
次に図８（ａ）に示された構造に対し、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行う。結晶成長後の層構造を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）では、分かりやすいように素子の中央付近を断面図として示している。ｎ型ＧａＮ基板５０１および凹凸構造から成る構造物上にまず、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＮ層５０３を成長する。
【０１５０】
ｎ型ＧａＮ層５０３の成長条件は、成長温度１０００℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約１０００とし、キャリアガスを水素としており、比較的少なめのＶ族供給条件を用いている。このとき凹凸部５０２ａの側壁は、結晶成長速度の面方位依存性により、自動的に（１−１０１）面が露出する。なぜならば先に説明した通り、（１−１０１）面は窒素によって構成される面であり、上記のようなＶ族供給量が比較的少なめで、なおかつ気相エッチング性の強い水素キャリアガスの成長条件では（１−１０１）面が不安定化する結果、成長速度が遅くなるため、自動的に（１−１０１）面が形成されるためである。また、凹部５０２ｂの側壁には、実施の形態１と同様に自動的に（１１−２２）面が露出する。
【０１５１】
このようなｎ型ＧａＮ層５０３の成長の結果、下地の凹凸部５０２ａは矩形であったのにも関わらず、側壁が（１−１０１）面にて構成される三角形状の凹凸として自動的に形成される。
【０１５２】
ｎ型ＧａＮ層５０３の上に引き続き、５０ｎｍ厚のｎ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｎ型クラッド層）５０４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層５０５、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）５０６、および２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層５０７を成長する。ここでＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層５０５の成長条件は、成長温度７９０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒ、ＮＨ３／ＴＭＧ比を約６０００とし、キャリアガスの主成分を窒素としており、図１にて説明した条件と同じである。先ほど図１を用いて述べたように、凹凸部５０２ａ上における活性層５０５ｂの遷移波長は、梁部５０１ａ上における活性層５０５ａの遷移波長に比べて短波長となっている。
【０１５３】
次に、図８（ｂ）に対して、リッジ導波路５０８を形成した構造が図９（ａ）である。導波路形成には凹凸構造の形成と同様に、塩素系ドライエッチング技術を用いる。そして、ｐ型ＧａＮ層５０７を図９（ａ）のようにエッチングしてリッジ導波路５０８を形成する。
【０１５４】
図９（ａ）に示したリッジ導波路構造に対し、絶縁用のＳｉＯ２膜５０９を形成し、リッジ導波路５０８上に電流注入用の穴を開けた部分に、さらにリフトオフ法によりｐ型電極５１０を形成する。ここで、ｐ型電極５１０は活性層５０５ａの直上にのみ形成されており、活性層５０５ｂの上には形成されていない。そして、ｎ型ＧａＮ基板５０１の裏面には同様にｎ型電極５１１を形成する。最後に、劈開技術により光出射端面を含む２枚の端面５１２ａ、５１２ｂを形成することで、本発明における窒化物半導体レーザが完成する。
【０１５５】
なお、本実施の形態４では、活性層５０５ａ、５０５ｂをＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造としているが、ここにアルミニウムが含まれていてもよい。この場合、ＧａＮに格子整合しつつ、遷移波長を設計できるため、窒化物半導体レーザの設計自由度を飛躍的に向上させることができる。
【０１５６】
また、図９（ｂ）ではｎ型電極５１１はｎ型ＧａＮ基板５０１の裏面に形成されているが、ｎ型ＧａＮ基板５０１と電気的に接触していれば、素子構造の上方にあっても本発明の効力は十分に発揮される。このとき、本実施の形態４ではｎ型ＧａＮ基板５０１をｎ型ＧａＮとして記述しているが、サファイアやシリコンといったＧａＮ以外の異種基板を用いることも可能である。
【０１５７】
なお、本実施の形態４ではリッジ導波路５０８の幅を凹凸部５０２ａ上にて細めることを記述しているが、幅を導波方向に対して一定にしたとしても、本発明の効力は十分に発揮される。しかしながら、さらなる高出力化のためには、リッジ導波路５０８の幅をテーパ状に加工することは効果的である。
【０１５８】
また、本実施の形態において、凹凸部５０２ａは２枚の端面の両方の近傍に存在しているが、必ずしも両方に存在する必要はなく、少なくとも光出射端面となる一方の端面の近傍に存在すればよい。
【０１５９】
なお、端面において凹凸部５０２ａは全面に形成されているように記述したが、必ずしも全面に存在する必要はない。少なくとも光導波路構造直下の領域においてのみ存在すれば、本発明の効力は十分に発揮されることは言うまでもない。
【０１６０】
なお、図９（ａ）では凹凸部５０２ａは垂直性の高いものとして記述されているが、垂直性が高くなくともよい。なぜならば、ｎ型ＧａＮ層５０３を結晶成長する際、用いている結晶成長条件によって（１−１０１）面が自動的に露出し、その結果、三角形状が形成されるためである。（１−１０１）面を優先的に露出させるには、低い成長圧力、低いアンモニア分圧、水素キャリアガス、高い成長温度によって実現される。
【産業上の利用可能性】
【０１６１】
本発明の窒化物半導体レーザは、窒化物半導体が有する結晶成長の特性を積極的に利用することにより、煩雑なプロセスの増大やコスト増加を招くことなく、高出力動作を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】（ａ）は、各面方位におけるＩｎＧａＮ成長速度およびＩｎ組成量であり、（ｂ）は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造におけるＩｎ組成および井戸層厚を変えた場合の遷移波長との関係であり、（ｃ）は、面内開口率とＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造の遷移波長との関係である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体レーザの製造方法を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２における窒化物半導体レーザの製造方法を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態３における窒化物半導体レーザの製造方法を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態３における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４における窒化物半導体レーザの製造方法を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４における窒化物半導体レーザの構成および製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【０１６３】
２０１、３０１、４０１、５０１      ｎ型ＧａＮ基板 
２０１ａ、３０１ａ    平坦部 
２０１ｂ    梁部
２０２ａ、２０２ｂ      凹部  
２０３、３０３、４０３、５０３    ｎ型ＧａＮ層 
２０４、３０４、４０４、５０４    ｎ型ＩｎＧａＮクラッド層 
２０５、３０５、４０５、５０５    ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸活性層 
２０５ａ、２０５ｂ      活性層 
２０６、３０６、４０６、５０６    ｐ型ＩｎＧａＮクラッド層 
２０７、３０７、４０７、５０７    ｐ型ＧａＮ層 
２０８、３０８、４０８、５０８    リッジ導波路 
２０９、３０９、４０９、５０９    ＳｉＯ２膜 
２１０、３１０、４１０、５１０    ｐ型電極 
２１１、３１１、４１１、５１１    ｎ型電極 
２１２ａ、２１２ｂ      端面 
３０１ｂ    凹部 
３０２ａ、３０２ｂ      凸部 
３０５ａ、３０５ｂ      活性層 
３１２ａ、３１２ｂ      端面 
４０１ａ    テーパ状間隙部 
４０１ｂ    間隙部 
４０２ａ、４０２ｂ      誘電体マスク 
４０５ａ、４０５ｂ      活性層 
４１２ａ、４１２ｂ      端面 
４１７ｎｍ  波長 
５０１ａ    梁部 
５０２ａ    凹凸部 
５０２ｂ    凹部 
５０５ａ、５０５ｂ      活性層 
５１２ａ、５１２ｂ      端面 
【図１】
2009283512.tif 000003
【図２】
2009283512.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009283512.tif 000007
【図６】
2009283512.tif 000008
【図７】
2009283512.tif 000009
【図８】
2009283512.tif 000010
【図９】
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