(57)【要約】【課題】自然発光スペクトルのピーク波長よりも長波長のレーザ光を得ることができる半導体レーザ素子の提供。【解決手段】出射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ１（λ）が最大となるピーク波長λ１と、前記反射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）が最大となるピーク波長λ２とに対して、前記レーザ発光部における自然発光スペクトルのピーク波長λ０がλ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となる関係を有することを特徴とする。【選択図】図１
2009016684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層半導体と、前記積層半導体のレーザ出射側端面に配設された出射側ミラーと、レーザ出射側端面と反対側の端面に配設された反射側ミラーとを備える半導体レーザ素子であって、
前記出射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ１（λ）が最大となるピーク波長λ１と、前記反射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）が最大となるピーク波長λ２とに対して、前記積層半導体の自然発光スペクトルのピーク波長λ０がλ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となる関係を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記反射側ミラーのピーク波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）と、該反射率Ｒ２（λ２）の１．００倍となる波長λ３における反射率Ｒ２（λ3）と、前記反射率Ｒ２（λ２）の０．３０倍となる波長λ４における反射率Ｒ２（λ４）と、発振波長λpとが、下記式（１）、（２）および式（３）で表される関係を有す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。
Ｒ２（λ3）＝Ｒ２（λ２）×１．００              （１）
Ｒ２（λ4）＝Ｒ２（λ２）×０．３０              （２）
λ３＞λp＞λ４                                  （３）
【請求項３】
前記出射側ミラーのピーク波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と、該反射率Ｒ１（λ１）の１．００倍となる波長λ５における反射率Ｒ１（λ５）と、前記反射率Ｒ１（λ１）の０．３０倍となる波長λ６における反射率Ｒ１（λ６）と、発振波長λpとが、下記式（４）、（５）および式（６）で表される関係を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
Ｒ１（λ５）＝Ｒ１（λ１）×１．００              （４）
Ｒ１（λ６）＝Ｒ１（λ１）×０．３０              （５）
λ５＞λp＞λ６                                  （６）
【請求項４】
前記積層半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記出射側ミラーから出射するレーザ光の波長が、４５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記出射側ミラー及び／又は反射側ミラーは、酸化膜又は窒化膜を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の波長帯域のレーザ光を発振する半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、発光するレーザ光の波長によって各種の用途に利用されている。例えば、ＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子は、光ディスクに高密度で情報を読み出し／書き込みを行うレーザ光源として利用されている。中でも、発光波長が青紫色を含む３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの短波長レーザ素子は、高密度かつ高記録容量の光ディスク用のピックアップ光源として利用されている。また、発光波長が３８０ｎｍ以下のＵＶ帯域のレーザ素子は、露光用光源や検査用光源などに利用されている。一方、発光波長が青色や緑色を含む４２０ｎｍ〜５５０ｎｍの長波長レーザ素子は、画像表示を行うディスプレイ用光源、医療用光源、バイオまたは印刷用の光源、光学モジュール用光源等への利用が期待されている。
【０００３】
半導体レーザ素子は、一般に、ダブルへテロ接合構造を構成する各半導体層の組成等に応じて、特定の波長帯域に幅広のピークを有する自然発光スペクトルを示す。この自然発光スペクトルと利得スペクトルはほぼ一致しており、通常、自然発光スペクトルのピーク付近でレーザの発振利得が最も高くなる。しかしながら、長波長帯域になればなるほど、クラッド層と活性層の屈折率差が小さくなるため、十分な光閉じ込め係数が得られにくくなる。このような場合には、自然発光スペクトルの波長ピーク付近では十分な光閉じこめ係数が得られず、自然発光スペクトルの波長ピークの短波長側での利得が高くなる。このため、自然発光スペクトルの波長ピークよりかなり短波長側に発振ピークを有することになる。このようなことから、長波長帯域でレーザを発振させることが困難になる。特に発振波長が４５０ｎｍを超える長波長レーザにおいては自然発光スペクトルの幅が広くなってしまうので、この現象は顕著となる。例えば、ＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子では、長波長帯域と言われる４５０ｎｍ以上の波長のレーザ光を発振させることは非常に困難であった。これまでＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子において、長波長の発光波長を得るためには、活性層に高混晶のＩｎを導入する構成が検討されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１４８５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体層中のＩｎの混晶を大きくすると、格子不整合が大きくなり、良好な結晶を得ることが困難となるため、発光効率が低下する。また、ピエゾ電界の発生等により自然発光スペクトルの半値幅も３０ｎｍ以上と非常に大きくなる。さらに、上述したように長波長になればなるほど、クラッド層と活性層の屈折率差が小さくなるため、十分な光閉じ込め係数も得られ難い。その結果、自然発光波長よりもかなり短波長側で発振してしまう。
【０００５】
窒化物半導体レーザ素子の中でも、特に、発振波長が４５０ｎｍ以上の長波長レーザ素子においては、自然発光スペクトルが広くなるため、幅広い波長領域で利得の差が少ない、つまり幅広い波長領域で均一な利得を持つことになる。また、積層された半導体層内で光閉じ込めを行うクラッド層と活性層との界面での屈折率差は短波長側で大きくなるので、図１４（発振波長が４５０ｎｍ以上の長波長レーザ素子における波長と光閉じ込め係数の関係）に示すように、短波長側での閉じ込め係数が大きくなる。別の言い方をすれば、この閉じこめ係数は長波長になるほど小さくなる。
【０００６】
一方、共振器面に構成されるミラーにおいて、これを構成するそれぞれの誘電体多層膜の屈折率差を大きくすることによって、所望の反射率を得るための多層膜のペア数を少なくすることができる。この誘電体多層膜の屈折率差と、その膜厚、及びペア数によりミラーの反射率が決定される。この屈折率差の大きな誘電体多層膜の組み合わせで作製している従来のミラーでは、波長領域が１００ｎｍ程度の範囲において略同一の反射率を示す。つまり、この波長領域ではレーザ光を発振させるのに必要な利得の差は生まれない。従って、従来のレーザにおいては、ミラーの反射率ピークは、利得の最も高い自然発光波長ピーク領域の周辺、或いは発振させたい波長と一致するように作製されていた。つまり、自然発光波長ピーク領域の周辺、或いはレーザ光を発振させたい波長領域周辺では、このミラーの反射率の変化が少ない。
【０００７】
このようなことから、ＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子においては、クラッド層と活性層の閉じこめ係数の波長に対する分布が発振波長に大きく影響を及ぼしてしまう。従って、自然発光波長ピークよりもかなり短波長側でレーザ発振してしまい、長波長側でのレーザ発振を困難なものとしている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、高混晶のＩｎを導入すること等によって自然発光スペクトル幅が広くなった発光素子において、共振器を構成する反射側ミラーおよび出射側ミラーの反射率を調整することによって、十分な光閉じこめ係数が得られにくい長波長帯域であっても、レーザ発振が可能となる半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、積層半導体と、前記積層半導体のレーザ出射側端面に配設された出射側ミラーと、レーザ出射側端面と反対側の端面に配設された反射側ミラーとを備える半導体レーザ素子であって、前記出射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ１（λ）が最大となるピーク波長λ１と、前記反射側ミラーにおける波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）が最大となるピーク波長λ２とに対して、前記積層半導体の自然発光スペクトルのピーク波長λ０がλ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となる関係を有することを特徴とする。
【００１０】
この半導体レーザ素子では、出射側ミラーにおけるピーク波長λ１と、反射側ミラーにおけるピーク波長λ２とに対して、積層半導体のレーザ発光部における自然発光スペクトルのピーク波長λ０がλ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となる関係にすることによって、従来のレーザより長波長側でのレーザ発振が可能となる。その理由は、以下のように考えられる。ミラーの反射率ピークを自然発光スペクトルのピーク波長の長波長側にシフトさせることによって、光閉じ込め係数の大きい短波長側でのミラー反射率を低下させ、短波長側での発振に必要な利得を増大させる。つまり、発振に必要な利得は短波長側に比べて長波長側で小さくなる。これにより、光閉じ込め係数の波長依存性による発振波長の短波長化を抑止し、長波長帯域でのレーザ発振を実現できる。
【００１１】
請求項２に係る発明の半導体レーザ素子は、前記反射側ミラーのピーク波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）と、該反射率Ｒ２（λ２）の１．００倍となる波長λ３における反射率Ｒ２（λ3）と、前記反射率Ｒ２（λ２）の０．３０倍となる波長λ４における反射率Ｒ２（λ４）と、発振波長λpとが、下記式（１）、（２）および式（３）で表される関係を有することを特徴とする。
Ｒ２（λ3）＝Ｒ２（λ２）×１．００              （１）
Ｒ２（λ4）＝Ｒ２（λ２）×０．３０              （２）
λ３＞λp＞λ４                                  （３）
【００１２】
この半導体レーザ素子では、反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）が上記式（１）、（２）および式（３）を満たすようにすることによって、より長波長側でのレーザ発振が実現できる。特に、反射側ミラーの反射率の大きさをＲ２（λ２）の０．３倍とすることによって、光閉じ込め係数の波長依存性によっておこる発振波長の短波長化を十分に抑止して、長波長側でのレーザ発振を実現できる。
【００１３】
請求項３に係る発明の半導体レーザ素子は、前記出射側ミラーのピーク波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と、該反射率Ｒ１（λ１）の１．００倍となる波長λ５における反射率Ｒ１（λ５）と、前記反射率Ｒ１（λ１）の０．３０倍となる波長λ６における反射率Ｒ１（λ６）と、発振波長λpとが、下記式（４）、（５）および式（６）で表される関係を有することを特徴とする。
Ｒ１（λ５）＝Ｒ１（λ１）×１．００              （４）
Ｒ１（λ６）＝Ｒ１（λ１）×０．３０              （５）
λ５＞λp＞λ６                                  （６）
【００１４】
この半導体レーザ素子では、出射側ミラーを上記式（４）、（５）および式（６）を満たす関係にすることによって、より長波長側でのレーザ発振が実現できる。特に、出射側ミラーの反射率の大きさをＲ１（λ１）の０．３倍とすることによって、光閉じ込め係数の波長依存性によっておこる発振波長の短波長化を十分に抑止できる。
【００１５】
請求項５に係る発明の半導体レーザ素子は、前記積層半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする。
この半導体レーザ素子は、積層半導体がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成される場合に好適である。
【００１６】
請求項５に係る発明の半導体レーザ素子は、前記出射側ミラーから出射するレーザ光の波長が、４５０ｎｍ以上であることを特徴とする。
この半導体レーザ素子では、出射側ミラーから出射するレーザ光の波長が、４５０ｎｍ以上とすることができる。
【００１７】
請求項６に係る発明の半導体レーザ素子は、前記出射側ミラー及び／又は反射側ミラーは、酸化膜又は窒化膜を有することを特徴とする。
この半導体レーザ素子では、出射側ミラー及び／又は反射側ミラーは、酸化膜又は窒化膜を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体レーザ素子は、４５０ｎｍ以上の長波長帯域のレーザ光を発振させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る半導体レーザ素子について図１および図２に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ素子１の主要構成を示す模式断面図、図２は、本発明の半導体レーザ素子１のピーク波長λ０の自然発光スペクトルを示す図である。
図１に示す半導体レーザ素子１は、第１導電型半導体層６、活性層４、第２導電型半導体５の順に積層して構成される積層半導体７と、活性層４で発光するレーザ光の導波路に沿って積層半導体７の両端に配設された出射側ミラー２および反射側ミラー３とを備えるものである。
なお、図１に示す半導体レーザ素子１の構成は、本発明を説明するための概念図であり、この半導体レーザ素子１の活性層４に電子および正孔を注入するための電極や、その他の基板、保護層等については省略して図示したものである。そのため、本発明に係る半導体レーザ素子は、このような構成に限定されるものではない。
【００２０】
積層半導体７において、第１導電型半導体層６と、その第１導電型半導体層６の上部に活性層４を介して形成される第２導電型半導体層５とは、半導体材料からなる層にドーパントをドープして、ｎ型またはｐ型の半導体層を形成する。この第１導電型半導体層、活性層４および第２導電型半導体層を構成する半導体材料の具体例としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が挙げられる。その中でもＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶である窒化物半導体（ＩｎαＡｌβＧａ１−α−βＮ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）を採用することが好ましい。また、ＩＩＩ族元素として一部若しくは全部にＢなどを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂなどで置換した混晶、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ等のＩｎＰ系材料、これらの混晶であるＩｎＧａＡｓＰ等の他のIII−Ｖ族化合物半導体などを採用することもできる。また、半導体材料にドープされるドーパントとしては、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族、若しくはＶＩ族元素、ｐ型ドーパントとして、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられる。
【００２１】
また、これらの第１導電型半導体層６および第２導電型半導体層５は、それぞれ多層構造に形成されていてもよい。例えば、第１導電型半導体層６は、活性層４の側から、光ガイド層、クラッド層（光閉じ込め層）の順に積層された多層構造を有していてもよい。また、第２導電型半導体層５は、活性層４の側から光ガイド層、クラッド層（光閉じ込め層）、コンタクト層の順に積層された多層構造を有していてもよい。また、基板（図示せず）と第１導電型半導体層６との間、第２導電型半導体層５とその上の上層との間に、緩衝層（バッファ層）を形成してもよい。さらに、第１導電型半導体層６および第２導電型半導体層５が多層構造を有する場合、多層構造の一部に、アンドープやノンドープの半導体層が含まれていても良い。更には、アンドープやノンドープの半導体層と不純物がドープされた半導体層とを交互に積層した層を含有する構成であってもよい。
【００２２】
また、活性層４は、ｎ型またはｐ型の半導体層である、第１導電型半導体層６と、第２導電型半導体層５とから注入される正孔および電子の再結合によって生成するエネルギを光として放出するものである。
【００２３】
この活性層４は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有するものが好ましい。また、この活性層４を構成する半導体材料は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれのものでもよい。なかでも、ノンドープまたはｎ型不純物ドープの半導体材料で形成されることが好ましい。さらに、例えば、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとしてもよい。
【００２４】
出射側ミラー２および反射側ミラー３は、活性層４における電子と正孔の再結合によって生じる自然発光スペクトルのピーク波長λ０に対して、出射側ミラー２における波長λの光に対する反射率Ｒ１（λ）が最大となるピーク波長λ１と、反射側ミラー３における波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）が最大となるピーク波長λ２とが、λ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となるときに、積層半導体の活性層４において、λ１＝λ２＝λ０とする従来のレーザ作製方法で得られる発振波長より長波長のレーザ光を、共振器端面から出射させることができる。
【００２５】
これらのさらに好ましい実施形態としては、発振波長λpが、前記反射側ミラー３のピーク波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）と、該反射率Ｒ２（λ２）の１．００倍となる反射率Ｒ２（λ3）と、該反射率Ｒ２（λ3）における波長λ３と、前記反射率Ｒ２（λ２）の０．３０倍となる反射率Ｒ２（λ４）と、該反射率Ｒ２（λ４）における波長λ４と、の関係が、下記式（１）、（２）および式（３）で表される関係を有するものである。
Ｒ２（λ3）= Ｒ２（λ２）×１．００              （１）
Ｒ２（λ4）= Ｒ２（λ２）×０．３０              （２）
λ３＞λp＞λ４                                  （３）
【００２６】
また、出射側ミラー２においては、出射側ミラー２のピーク波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と、該反射率Ｒ１（λ１）の１．００倍となる波長λ５における反射率Ｒ１（λ５）と、前記反射率Ｒ１（λ１）の０．３０倍となる波長λ６における反射率Ｒ１（λ６）と、発振波長λpとが、下記式（４）、（５）および式（６）で表される関係を有することが好ましい。
Ｒ１（λ５）＝Ｒ１（λ１）×１．００              （４）
Ｒ１（λ６）＝Ｒ１（λ１）×０．３０              （５）
λ５＞λp＞λ６                                  （６）
【００２７】
本発明の半導体レーザ素子１において、反射側ミラー３及び／又は出射側ミラー２における波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）およびＲ１（λ）を、前記の式（１）〜（６）に示す関係にすることによって、長波長側でのレーザ発振を実現できる理由は、以下の通りに考えられる。反射側ミラー３及び／又は出射側ミラー２において、波長増加に対する反射率の立ち上がりを急峻にすることで、発振に必要な利得に急峻な減少を生じさせることができる。したがって、上記関係式を満たすように半導体レーザ素子のミラー反射率を調整することによって、閉じ込め係数の波長分布による発振波長の短波長化を効果的に抑止し、長波長領域でのレーザ発振をより容易に実現することができる。さらに、この反射率の急峻な立ち上がりをより効果的に大きくするためには、ミラーを構成する誘電体膜のペア数を増加させる方法があげられる。その例として、ＳｉＯ２とＺｒＯ２とからなるミラーのペア数を変更させた場合の反射率を図３に示す。この図３は、ＺｒＯ２単膜を０．５ペア、ＳｉＯ２膜とＺｒＯ２膜の組み合わせ（ＳｉＯ２／ＺｒＯ２）を１ペアと数えるう構成で、０．５ペア（図３中、ａで示す；ＺｒＯ２単膜）、２．５ペア（図３中、ｂで示す）、４．５ペア（図３中、ｃで示す）、６．５ペア（図３中、ｄで示す）、８．５ペア（図３中、ｅで示す）および１０．５ペア（図３中、ｆで示す）と増加させたものである。この図３に示すように、反射側ミラー３及び／又は出射側ミラー２を、ＳｉＯ２とＺｒＯ２とからなるミラーのペア数の増加によって、５００nm付近の反射率の上昇を急峻にすることができる。このことにより長波長領域でのレーザ発振をより効果的に実現することができる。
【００２８】
本発明の半導体レーザ素子１において、出射側ミラー２及び／又は反射側ミラー３の反射率Ｒ（λ）が、積層半導体７の自然発光スペクトルのピーク波長λ０に対して前記の関係を有するように、膜組成、膜厚および構成を調整する。通常、反射側ミラー２および出射側ミラー３は、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＳｉＮ、ＴｉＮ等によって形成される。
【００２９】
ここで、自然発光ピーク波長λ0＝５００ｎｍである半導体発光素子における出射側ミラー３の光の波長に対する反射率Ｒ２（λ）について実験した。
まず、反射側ミラー３を、半導体側からＡｌ２Ｏ３を１６７４ｎｍの膜厚で形成し、さらに、ＺｒＯ２（６１３ｎｍ）とＡｌ２Ｏ３（８３７ｎｍ）を交互に８層形成し、最後に、Ａｌ２Ｏ３（８３７ｎｍ）の順で形成した。この反射側ミラー３について、反射率Ｒ２（λ）をエリプソメータにより測定した。その結果、反射率のピーク波長（λ２）５３０ｎｍで反射率９６％が得られた。このとき、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である図４に示すように、ピーク反射率×０．３の波長λは４７５ｎｍで、ピーク反射率×０．９８の波長λは５０５ｎｍとなった。
【００３０】
また、出射側ミラー２を、半導体側からＡｌ２Ｏ３を１６７４ｎｍの膜厚で形成し、さらに、ＺｒＯ２（６１３ｎｍ）とＡｌ２Ｏ３（８３７ｎｍ）を交互に６層形成し、最後に、Ａｌ２Ｏ３（８３７ｎｍ）で形成した。この出射側ミラー２について、反射率Ｒ１（λ）をエリプソメータにより測定した。その結果、反射率のピーク波長（λ１）が５２５ｎｍで反射率８３％が得られた。このとき、出射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である図５に示すように、ピーク反射率×０．３の波長λは４６５ｎｍで、ピーク反射率×０．９８の波長λは５０５ｎｍとなった。
この実験の結果から、前記のような反射側ミラー３及び出射側ミラー２によって本発明の半導体レーザ素子を実現することができることが分かった。
【００３１】
次に、本発明の半導体レーザ素子の実施形態として、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す窒化物半導体レーザ素子について説明する。
図６（Ａ）は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子３１の構造を示す模式断面図、図６（Ｂ）は、窒化物半導体レーザ素子３１の外部構造を示す斜視図である。なお、図６（Ａ）は、窒化物半導体レーザ素子３１のレーザ光の共振方向に垂直方向で切断した場合の断面図を示す。
【００３２】
この窒化物半導体レーザ素子３１は、図６（Ａ）に示すように、基板３２の上に、ｎ型半導体層３３、活性層３４およびｐ型半導体層３５の順に積層した基本構造を有する。このｎ型半導体層３３、活性層３４およびｐ型半導体層３５が、本発明における積層半導体の基本構造を構成する。
基板３２としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3、Ａ面、Ｃ面、Ｒ面）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4、１１１面）等の絶縁性基板、さらには、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶基板や導電性基板などが用いられる。
【００３３】
ｎ型半導体層３３は、基板３２の側から、ｎ型光閉じこめ層およびｎ型光ガイド層の順に積層された多層構造を有する。また、ｎ型光ガイド層は省略可能であり、基板３２を光閉じ込め層として用いる場合には、ｎ型光閉じ込め層も省略可能である。
【００３４】
また、前記基板３２とｎ型半導体層３３との間に緩衝層を単層又は多層で形成してもよい。該緩衝層を単層で形成する場合には、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で表される組成を有する窒化物半導体で構成することができる。また、緩衝層を２以上の多層で形成する場合には、基板側から第１緩衝層としてＡｌｘＧａ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）、第２緩衝層としてＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）の順に積層した構成とすることができる。この緩衝層は、単層で形成する場合、多層で形成する場合に関係なく、ｎ型不純物を含有する構成が好ましい。これにより、ｎ型を示す十分なキャリア濃度をもつｎ型半導体層３３が得られる。また、表面の積層半導体側にｎ側電極３７を形成する場合、このようなｎ型半導体層３３を構成に有することにより、好ましいオーミック接触が得られるため、窒化物半導体レーザ素子１のしきい値電流の低下に有効である。ＧａＮに限らず窒化物半導体は、ノンドープ（不純物をドープしない状態）でも結晶内部にできる窒素空孔のためｎ型となる性質があるが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｎ等のドナー不純物を結晶成長中にドープすることにより、キャリア濃度が高く、好ましいｎ型特性を示す窒化物半導体が得られる。
【００３５】
また、前記緩衝層を多層で形成する場合の第２緩衝層は、Ｉｎを含有する窒化物半導体層にすることによって、積層半導体中に発生するクラックを抑制することができる。
【００３６】
ｎ型光閉じこめ層は、例えば、Ａｌを含むｎ型の窒化物半導体またはＧａＮで構成することができる。このｎ型光閉じこめ層は、三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ≦１）とすることにより、結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差が大きくなり光閉じ込め層として有効である。このｎ型光閉じこめ層は、通常０．１μｍ〜４μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、４μｍよりも厚いと、結晶中にクラックが入りやすくなり素子作成が困難となる傾向にある。また、このｎ型光閉じ込め層はｎ型不純物を含有することでキャリアを供給するｎ型クラッド層としても機能する。
【００３７】
ｎ型光ガイド層は、Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体またはｎ型ＧａＮ、更にはこれらのｎ型の窒化物半導体からなる層と、ｎ型ＧａＮからなる層とで構成される多層構造としてもよい。このｎ型光ガイド層は、好ましくは三元混晶または二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X＜１）とする。このｎ型光ガイド層は、通常１００Å〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、光閉じ込めの観点からＩｎＧａＮで形成することが好ましい。また、ＩｎＧａＮ、ＧａＮの超格子構造、あるいは多層構造にすることにより結晶性良く成長できる利点がある。
【００３８】
活性層３４は、Ｉｎを含む窒化物半導体層を含有する構造を有する。具体的には、活性層３４は、単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造を有し、その井戸層には三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１）を有するものである。障壁層にはＩｎX'Ｇａ1-X'Ｎ（０≦Ｘ'＜１、Ｘ'＜Ｘ）を有するものとする。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良いので、発光出力が向上する。特に、ＩｎXＧａ1-XＮよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）の活性層が好ましい。多重量子井戸構造を形成する一例としては、障壁＋井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層＋障壁となるように積層して構成する。また、障壁層と井戸層との間、又は井戸層と障壁層との間に井戸層及び障壁層よりも膜厚の小さい中間層を設ける構成としてもよい。
【００３９】
活性層３４の総膜厚は１００Å以上に調整することが好ましい。１００Åよりも薄いと、光閉じ込めが弱く、レーザ発振しにくい傾向にある。また，活性層３４の膜厚が厚すぎると出力が低下する傾向にあり、膜厚は１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下、さらに好ましくは０．２μｍ以下に調整することが望ましい。膜厚が１μｍよりも厚いと活性層の結晶性が悪くなるか、発光した光が活性層中に広がってしまい、しきい値電流が増加する傾向にある。
【００４０】
また、ｐ型半導体層３５は、活性層３４の側から、ｐ型光閉じ込め層およびｐ型コンタクト層の順に積層された多層構造を有する。この場合、ｐ型光閉じこめ層は、キャリアの閉じこめ層としての機能、活性層３４はガイド層としての機能も担う。従って、これらの機能を、活性層３４とｐ型光閉じ込め層との間に、ｐ型キャリア閉じ込め層、ｐ型光ガイド層を介する構造にすることによって分離しても良い。この場合、ｐ型光ガイド層のみを省略したもの、又はｐ型キャリア閉じ込め層のみを省略したものであってもよい。具体的には、ｐ型光閉じ込め層がキャリア閉じ込め層としての機能も担う場合、ｐ型キャリア閉じ込め層を省略することができる。
【００４１】
なお、ｐ型の窒化物半導体は、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｃａ等のアクセプター不純物を結晶成長中にドープすることによって得られるが、その中でもＭｇが最も好ましいｐ型特性を示す。また結晶成長後、不活性ガス雰囲気中で、４００℃以上でアニーリングすることにより、さらに低抵抗なｐ型半導体層３５を得ることができる。
【００４２】
ｐ型キャリア閉じ込め層は、例えば、Ａｌを含む窒化物半導体またはＧａＮで構成し、三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）で構成される。このキャリア閉じ込め層は、通常、１０〜５００Åの膜厚とすることが望ましく、特にＡｌＧａＮとすることにより、活性層からの電子のオーバーフローを効果よく抑制することができる点で、好ましい。このキャリア閉じ込め層は多層膜で構成されていても良い。
【００４３】
ｐ型光ガイド層は、例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体またはＧａＮで構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ＜１）で構成される。この光ガイド層は、通常、１００Å〜１μｍの膜厚とすることが望ましく、特に、光閉じ込めの観点からＩｎＧａＮで形成することが好ましい。またＩｎＧａＮ、ＧａＮの超格子構造、あるいは多層構造にすることにより結晶性良く成長できる利点がある。
【００４４】
ｐ型光閉じこめ層は、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体またはＧａＮで構成することができる。このｐ型光閉じこめ層は、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Ｙ≦１）とすることにより結晶性の良いものが得られる。このｐ型光閉じこめ層３５ｂは、０．１μｍ〜１μｍの膜厚とすることが望ましく、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、光閉じ込め層として機能する。
【００４５】
ｐ型コンタクト層は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができる。特に、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型半導体層が得られ、ｐ側電極３０と良好なオーミック接触が得られ、しきい値電流を低下させることができる。
【００４６】
この窒化物半導体レーザ素子３１において、レーザ光の共振方向にリッジストライプ構造を形成する。このリッジストライプ構造は、ｐ型半導体層３５をエッチングすることにより形成される。エッチング深さは特に限定されるものではないが、例えば、ｐ型コンタクト層、ｐ型光閉じこめ層およびｐ型光ガイド層をエッチングすることにより形成し、そのストライプ幅は０．１〜７０μｍ、好ましくは１〜１５μｍで形成される。エッチング手段はドライエッチングが好ましく、例えば反応性イオンエッチング、イオンミリング、ＥＣＲエッチング、集束イオンビームエッチング、イオンビームアシストエッチング、ＩＣＰエッチング等を用いることができる。
【００４７】
次に、リッジストライプが形成された窒化物半導体レーザ素子３１を、更にエッチングしてレーザ素子がチップ化される外周を露出させてもよい。この露出面はｎ型半導体層３６か基板３２であるが、そのエッチング深さは特に限定されない。
【００４８】
また、リッジストライプの側面及びエッチングにより露出したｐ型半導体層３５の表面に絶縁膜３８を形成する。この絶縁膜３８は、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｙ、Ｖからなる群から選ばれる少なくとも1つの酸化物もしくは窒化物である。この絶縁膜の膜厚は１００Å〜８０００Åである。また、前記絶縁膜は単層又は多層で形成される。この絶縁膜は、ＥＣＲプラズマスパッタリング、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、ＥＣＲプラズマスパッタリング、分子線蒸着等によって形成することができる。
【００４９】
更には、エッチングにより表面に露出された、ｐ型半導体層（ｐ型キャリア閉じ込め層、ｐ型光ガイド層、ｐ型光閉じ込め層、ｐ型コンタクト層）３５、活性層３４、およびｎ型半導体層（ｎ型光閉じこめ層、ｎ型光ガイド層）３３および基板３２の上面および側面の、全面あるいは一部に、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＯ２、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ２等の高誘電体材料からなる第２の絶縁膜３９を形成してもよい。また、これらの絶縁膜は全面あるいは部分的に多層で形成されていても良い。この第２の絶縁膜３９は、ＥＣＲプラズマスパッタリング、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、分子線蒸着等によって形成することができる。
【００５０】
また、ｐ型半導体層（ｐ型コンタクト層）３５の上に、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕ等の金属やこれらの金属からなる層を複数含む多層膜、あるいはこれらの合金で構成されるｐ側電極３６が形成される。また、ｐ側電極３６の上にｐ側パッド電極４０が形成される。
さらに、基板３２の裏面に、Ｖ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属やこれらの金属からなる層を複数含む多層膜、あるいは合金で構成されるｎ側電極３７が形成される。
【００５１】
そして、図６（Ｂ）に示すように、この窒化物半導体レーザ素子３１では、それぞれ出射側ミラー３９Ｆおよび反射側ミラー３９Ｒが、ｎ型半導体層３３、活性層３４、ｐ型半導体層３５および基板３２の両端面に設けられている。この出射側ミラー３９Ｆにおける波長λの光に対する反射率Ｒ１（λ）が最大となるピーク波長λ１と、反射側ミラー３９Ｒにおける波長λの光に対する反射率Ｒ２（λ）が最大となるピーク波長λ２と、活性層３４で生じる自然発光スペクトルのピーク波長λ０との関係が、λ１＞λ０及び／又はλ２＞λ０となる関係を満たすように、出射側ミラー３９Ｆおよびまたは反射側ミラー３９Ｒの膜構成、膜組成、膜厚等を調整する。
【００５２】
出射側ミラー３９Ｆおよび反射側ミラー３９Ｒを形成するミラー材料としては、例えば、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｙ、Ｖ等の酸化物もしくは窒化物、その他にはＡｌＦ３、ＢａＦ２、ＣｅＦ２、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＮｄＦ３、ＰｂＦ２、ＳｒＦ２、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等を用いることができる。特に好ましくはＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、等の高誘電体材料からなる絶縁膜が用いられる。この絶縁膜は、ＥＣＲプラズマスパッタリング、プラズマＣＶＤ、スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、分子線蒸着等によって形成することができる。
【００５３】
より、具体的には、前記反射側ミラー３９Ｒは、単層あるいは２種類以上の材料を用いた多層膜構造を有する。例えば、ＡｌＮ単層、ＡｌＮとＳｉＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＺｒＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とＳｉＯ２、ＺｒＯ２とＳｉＯ２、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等である。また、特に反射側ミラー３９Ｒの第１層をＡｌ２Ｏ３膜、あるいはＡｌＮ膜とすることでＣＯＤレベルの高いレーザ素子を作製することができる。
【００５４】
また、出射側ミラー３９Ｆは、単層あるいは２種類以上の材料を用いた多層膜構造を有する。例えば、ＡｌＮ単層、ＡｌＮとＳｉＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＺｒＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮとＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３とＺｒＯ２とＳｉＯ２、ＺｒＯ２とＳｉＯ２、ＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＡｌＮとＳｉＯ２とＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５等である。また、特に出射側ミラー３９Ｆの第１層をＡｌ２Ｏ３膜、あるいはＡｌＮ膜とすることでＣＯＤレベルの高いレーザ素子を作製することができる。
【００５５】
この窒化物半導体レーザ素子３１では、自然発光波長のピークに対して、反射側ミラー３９Ｒ及び／又は出射側ミラー３９Ｆの反射率ピークの波長を例えば１０ｎｍ以上長波長側になるように膜厚を調整することによって、出射側ミラー３９Ｆから、４５０ｎｍ以上の長波長レーザ光を出射させることができる。
【００５６】
これらのことを、以下に示す閾値電流密度を求める式から計算してみた。
【数１】
2009016684.tif 000003
ここで、Jth：閾値電流密度、Γ：閉じ込め係数、d：井戸層総厚み、R1：出射側ミラーの反射率、R2：反射側ミラーの反射率、J0：利得を発生させるに必要な電流密度、L：共振器長、α：損失、β：伝搬定数である。
【００５７】
この式に閉じ込め係数(Γ)、反射側ミラーの反射率（Ｒ２）、出射側ミラーの反射率（Ｒ１）を波長ごとに代入することにより、従来のレーザと本発明の半導体レーザ素子の閾値電流と波長の関係を求めてプロットした結果を図７に示す。図７には本発明の一実施形態と従来例の半導体レーザ素子における閾値電流密度と発振波長の関係を示す。このとき、それぞれｄ＝６ｎｍ、α＝２０ｃｍ−1、Ｌ＝６００μｍとし、簡便のためＪ０＝０とした。従来例においては、波長が長波長へシフトするにつれ、閾値電流密度が増加する。一方、本発明の実施形態の半導体レーザ素子においては、波長が長波長側へシフトすると、４８０〜４９０ｎｍ付近で急峻に閾値電流密度が低下する。このことからも、本発明の半導体レーザ素子において長波長側での発振を容易にできることがわかる。この例においては急峻に閾値電流の低下する波長領域は４８０〜４９０ｎｍであるが、反射側ミラーの反射率（Ｒ２）と出射側ミラーの反射率（Ｒ１）を調整することにより、この波長領域を長波長側へシフトすることができ、レーザ発振波長の長波長化を容易にすることができる。また、このように作製した半導体レーザ素子は、実施例１に後述するが４９１ｎｍで発振した。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明するが、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。
実施例１
まず、ｎ型ＧａＮ基板ウエハー上に、第１導電型窒化物半導体層、活性層、第２導電型窒化物半導体層を順に積層して、図６に示す構造の窒化物系半導体レーザ素子を作製した。
ここで、第１導電型窒化物半導体層は、第１緩衝層（ｎ側ＡｌＧａＮ）、第２緩衝層（ｎ側ＩｎＧａＮ）、ｎ側クラッド層およびｎ側ガイド層を順に積層した多層構造のｎ側窒化物半導体層を形成した。
【００５９】
第１緩衝層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎであって、膜厚が０．５μｍである層を形成した。この層は基板との再成長緩衝層としての役目も同時に担っている。
【００６０】
次に、第２緩衝層として、前記第１緩衝層の上に、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が０．１５μｍである層を形成した。この第２緩衝層はクラック等の発生を抑制する役割を有する。
さらに、前記第２緩衝層の上に、ｎ側クラッド層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が１．２μｍである層を形成した。
【００６１】
次に、ｎ側クラッド層の上に、ｎ側ガイド層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が２０Åである第１層と、組成式がＧａＮであって、膜厚が４０Åである第２層との超格子構造を合計膜厚０．０６μｍで形成した。これらの層はＳｉドープをしなくてもｎ型の導電性を示す。
【００６２】
次に、前記の多層構造のｎ側窒化物半導体層の上に活性層を形成する。
まず、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が９００Åの第１障壁層を形成した。次いで、第１障壁層の上に膜厚が１５０ÅのＳｉを約１０１８〜１０１９／ｃｍ３含有するＧａＮ層を形成した。
次に、第１障壁層の上に、組成式がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚が３０Åの第１井戸層を形成した。
【００６３】
さらに、第１井戸層の上に、第２障壁層として、組成式がＧａＮであって、膜厚が１００Åの層を形成した。
第２障壁層の上に、第２井戸層として、組成式がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚が３０Åである層を形成した。
【００６４】
さらに、第２井戸層の上に、第３障壁層として、組成式がＧａＮであって、膜厚が１００Åの層を形成した。
第３障壁層の上に、第３井戸層として、組成式がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚が３０Åである層を形成した。
最後に、第３井戸層の上に、第４障壁層として、組成式がＧａＮであって、膜厚が２００Åである層を形成した。
【００６５】
次に、前記活性層の上に、第２導電型窒化物半導体層を積層する。この第２導電型窒化物半導体層は、第１のキャリア閉じ込め層、第２のキャリア閉じ込め層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層およびｐ側コンタクト層の順で積層した多層構造のｐ側窒化物半導体層を形成した。
【００６６】
まず、第１のキャリア閉じ込め層としてＭｇを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎであって、膜厚が３０Åである層を形成した。
そして、第１のキャリア閉じ込め層の上に、第２のキャリア閉じ込め層としてＭｇを約１０１９／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎであって、膜厚が１００Åである層を形成した。
【００６７】
次に、第２のキャリア閉じ込め層の上に、ｐ側ガイド層として、膜厚が７００ÅであるアンドープのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層を形成した。次いで、このＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層上に膜厚が４００ÅのアンドープのＧａＮ層を形成した。これらの層はＭｇをドープしなくても、Ｍｇをドープしても良い。
【００６８】
次いで、ｐ側ガイド層の上に、ｐ側クラッド層として、組成式がＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎであって、膜厚が２５Åである第１層と、Ｍｇを約１０１８／ｃｍ３含有するＧａＮであって、膜厚が２５Åである第２層とからなる合計膜厚０．４５μｍの超格子構造の層を形成した。
【００６９】
最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ側コンタクト層として、Ｍｇを約１０２０／ｃｍ３含有する組成式がＧａＮであって、膜厚が１５０Åである層を形成した。
【００７０】
以上の積層構造により半導体レーザ素子の積層半導体を形成した。この積層半導体の自然発光スペクトルは、ピーク波長が４９０ｎｍで発光波長の半値幅が５０ｎｍである。
【００７１】
次に、前記ｐ側クラッド層の途中、ｐ側クラッド層とｐ側ガイド層との界面、ｐ側ガイド層の途中等から上の領域にリッジを形成した。このリッジの両側に、絶縁膜を形成するとともに、リッジの上面であるｐ側コンタクト層の表面にｐ電極を形成した。さらに、そのｐ電極と電気的に接続するパッド電極を形成した。また、ｎ型ＧａＮ基板の裏面にｎ電極を形成した。
その後、ウエハーを劈開して、劈開面を共振面とするバー形状とした。
【００７２】
次に、前記共振面にミラーを形成した。
そして、一端の共振面の窒化物半導体上に、反射側ミラーを形成し、他端の共振面に出射側ミラーを形成した後、チップ化して窒化物系半導体レーザ素子とした。
【００７３】
反射側ミラーは、基板を含む積層半導体の共振面上に、膜厚１６７４ÅのＡｌ２Ｏ３膜を最初に成膜し、次に、膜厚６１３ÅのＺｒＯ２膜と膜厚８３７ÅのＡｌ２Ｏ３膜とを交互に８ペア形成し、最後に、膜厚８３７ÅのＡｌ２Ｏ３膜を形成した。この反射側ミラーの合計膜厚は１４１１１Åとなった。
この反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）は、ミラーの反射率のピークは波長５３０ｎｍで９６％であって、反射率２９％（９６×０．３）の波長（ミラーの反射率のピークより短波長側の波長）は４７５ｎｍであった。
【００７４】
出射側ミラーは、反射側端面とは他端の共振面上に、膜厚１６７４ÅのＡｌ２Ｏ３膜を最初に成膜し、次に、膜厚６１３ÅのＺｒＯ２膜と、膜厚８３７ÅのＡｌ２Ｏ３膜とを交互に５ペア形成し、最後に、膜厚８３７ÅのＡｌ２Ｏ３膜を成膜して形成した。出射側ミラーの合計膜厚は９７６１Åとなった。
この出射側ミラーの反射率Ｒ１（λ）は、反射率のピークは波長５２５ｎｍで８３％であって、反射率２５％（８３×０．３）の波長（ミラーの反射率のピークより短波長側の波長）は４６５ｎｍであった。
【００７５】
以上より作製した窒化物系半導体レーザ素子について、反射側ミラーの反射率は図４、出射側ミラーの反射率は図５に示すとおりであり、また、得られた発振スペクトルは図８に示すように４９１ｎｍに発振ピークを持っていた。
【００７６】
実施例２
第１緩衝層、第２緩衝層を省略した構造とする以外は、実施例１の半導体レーザ素子と同じ構造を有する半導体レーザ素子を作製した。このような構造の半導体レーザ素子において、安定した光閉じ込めが実現できる。また、この半導体レーザ素子は４９０ｎｍに発振ピークを持つものである。
【００７７】
実施例３
ｎ側ガイド層と活性層の構造を以下の構造とした以外は、実施例１の半導体レーザ素子と同じ構造を有する半導体レーザ素子を作製した。
具体的には、ｎ側クラッド層の上に形成されるｎ側ガイド層を、膜厚０．１０μｍであって、アンドープのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層とした。これらの層は、Ｓｉドープを行っても良い。
【００７８】
次に、ｎ側ガイド層の上に形成される活性層の第１障壁層を膜厚が１５０Åであって、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有するＧａＮ層とした。他の活性層の構造は実施例１と同様とした。
以上のとおり作製した窒化物系半導体レーザ素子について、得られる発振スペクトルは４９０ｎｍに発振ピークを持つ半導体レーザ素子である。
【００７９】
実施例４
積層半導体を以下の条件で形成した以外は、実施例１の半導体レーザ素子と同じ構造を有する半導体レーザ素子を作製した。
ＧａＮ基板上に形成される第１導電型窒化物半導体層は、第１緩衝層、第２緩衝層、ｎ側クラッド層およびｎ側ガイド層を順に積層した多層構造のｎ側窒化物半導体層とした。
【００８０】
前記第１緩衝層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎであって、膜厚が２μｍである層を形成した。
次に、第２緩衝層として、前記第１緩衝層の上に、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎであって、膜厚が０．１５μｍである層を形成した。
さらに、第２緩衝層の上に、ｎ側クラッド層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎであって、膜厚が１．２μｍである層を形成した。
【００８１】
次に、ｎ側クラッド層の上に、ｎ側ガイド層として、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が１０Åである第１層と、組成式がＧａＮであって、膜厚が２０Åである第２層との超格子構造を合計膜厚０．２４μｍで形成した。
【００８２】
次に、前記の多層構造のｎ側窒化物半導体層の上に活性層を形成した。
まず、Ｓｉを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が７００Åの第１障壁層を形成した。次いで、第１障壁層の上に膜厚が１０ÅのＧａＮ層を形成した。
また、第１障壁層の上に、組成式がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚が３０Åの第１井戸層を形成した。
【００８３】
さらに、第１井戸層の上に、第２障壁層として、組成式がＧａＮであって、膜厚が１４０Åの層を形成した。
第２障壁層の上に、第２井戸層として、組成式がＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚が３０Åである層を形成した。
最後に、第２井戸層の上に、第３障壁層として、組成式がＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が７００Åである層を形成した。
【００８４】
次に、前記活性層の上に、第１のキャリア閉じ込め層、第２のキャリア閉じ込め層、ｐ側ガイド層、ｐ側クラッド層およびｐ側コンタクト層の順で積層した多層構造のｐ側窒化物半導体層を形成した。
【００８５】
まず、第１のキャリア閉じ込め層としてＭｇを約１０１８／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎであって、膜厚が３０Åである層を形成した。
そして、第１のキャリア閉じ込め層の上に、第２のキャリア閉じ込め層としてＭｇを約１０１９／ｃｍ３含有する組成式がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎであって、膜厚が７０Åである層を形成した。
【００８６】
次に、第２のキャリア閉じ込め層の上に、ｐ側ガイド層として、組成式がＩＮ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであって、膜厚が１０Åである第１層と、Ｍｇを約１０１７／ｃｍ３含有する組成式がＧａＮであって、膜厚が２０Åである第２層とからなる、合計膜厚０．２４μｍの超格子構造の層を形成した。
【００８７】
次いで、ｐ側ガイド層の上に、ｐ側クラッド層として、組成式がＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎであって、膜厚が２５Åである第１層と、Ｍｇを約１０１８／ｃｍ３含有するＧａＮであって、膜厚が２５Åである第２層とからなる合計膜厚０．４５μｍの超格子構造の層を形成した。
【００８８】
最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ側コンタクト層として、Ｍｇを約１０２０／ｃｍ３含有する組成式がＧａＮであって、膜厚が１５０Åである層を形成した。
【００８９】
以上の積層構造により形成された積層半導体はレーザ発光部を構成する。この半導体レーザ素子は、自然発光スペクトルのピーク波長が５１０ｎｍを示し、４９０ｎｍに発振ピークを持つ半導体レーザ素子となる。
【００９０】
実施例５
本実施例の半導体レーザ素子は、上記実施例１において、自然発光スペクトルのピーク波長が５３０ｎｍとなるように活性層を構成する井戸層のＩｎ混晶を調整し、ミラーの反射率ピークの波長を５７０ｎｍにしたものである。この半導体レーザ素子における出射側ミラーの反射率分布図は図９に、反射側ミラーの反射率分布図は図１０に示すようになる。
【００９１】
出射側ミラーは、まず、膜厚１７３４ÅのＡｌ２Ｏ３膜を成膜し、次に、膜厚６３５ÅのＺｒＯ２膜と、膜厚８６７ÅのＡｌ２Ｏ３膜とを交互に５ペア形成し、最後に、膜厚８６７ÅのＡｌ２Ｏ３膜を成膜して形成した。出射側ミラーの合計膜厚は１０１１１Åとなった。
【００９２】
この出射側ミラーの反射率Ｒ１（λ）は、反射率のピークが波長５７０ｎｍで８５％、波長５４０ｎｍで８３％（８５×０．９８）の反射率、波長４９０ｎｍで２６％（８５×０．３）の反射率を示す。
【００９３】
反射側ミラーは、まず、窒化物半導体上に、膜厚１７３４ÅのＡｌ２Ｏ３膜を成膜した。次に、膜厚６３５ÅのＺｒＯ２膜と膜厚８６７ÅのＡｌ２Ｏ３膜とを交互に８ペア形成し、最後に、膜厚８６７ÅのＡｌ２Ｏ３膜を形成した。この反射側ミラーの合計膜厚は１４６１７Åとなった。
この反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）は、反射率のピークが波長５７０ｎｍで９７％を示し、波長５３０ｎｍで９５％（９７×０．９８）の反射率、波長５００ｎｍで２９％（９７×０．３）の反射率を示す。
【００９４】
以上により作製した半導体レーザ素子は、５１０ｎｍに発振ピークを持つ。
【００９５】
実施例６
本実施例の半導体レーザ素子は、上記実施例５において、反射側ミラーを以下の条件で形成したＺｒＯ２とＳｉＯ２とを有する多層膜構造にしたものである。この半導体レーザ素子における反射側ミラーの波長に対するミラーの反射率分布図は図１１に示すとおりになる。尚、他の条件は実施例５と同様である。
【００９６】
反射側ミラーは、まず、積層半導体の共振面上に、膜厚６４６ÅのＺｒＯ２膜を成膜した。次に、膜厚９７２ÅのＳｉＯ２膜と膜厚６４６ÅのＺｒＯ２膜とを交互に６ペア形成した。この反射側ミラーの合計膜厚は１０３５４Åとなった。
この反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）は、反射率のピークは波長５８０ｎｍで９８％、波長５３０ｎｍで９６％（９８×０．９８）の反射率、波長４９２ｎｍで２９％（９６×０．３）の反射率を示す。
【００９７】
以上により作製した半導体レーザ素子は、５１０ｎｍに発振ピークをもつ半導体レーザ素子である。
【００９８】
実施例７
本実施例の半導体レーザ素子は、上記実施例５において、反射側ミラーを以下の条件で形成したＺｒＯ２とＳｉＯ２とを有する多層膜構造にしたものである。この半導体レーザ素子における反射側ミラーの波長に対するミラーの反射率分布図は図１２に示すとおりになる。尚、他の条件は実施例５と同様である。
【００９９】
反射側ミラーは、まず、積層半導体の共振面上に、膜厚６６８ÅのＺｒＯ２膜を成膜する。次に、膜厚１００６ÅのＳｉＯ２膜と膜厚６６８ÅのＺｒＯ２膜とを交互に６ペア形成形成する。この反射側ミラーの合計膜厚は１０７１２Åとなった。
この反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）は、ミラーの反射率のピークは波長６００ｎｍで９８％を示し、波長５５０ｎｍで９６％（９８×０．９８）の反射率、波長５１０ｎｍで２９％（９８×０．３）の反射率を示す。
【０１００】
以上により作製した半導体レーザ素子は、５３０ｎｍに発振ピークを持つものである。
【０１０１】
実施例８
本実施例の半導体レーザ素子は、上記実施例５において、自然発光スペクトルのピーク波長が５４０ｎｍとなるように井戸層のＩｎ混晶を調整し、反射側ミラーの材料をＺｒＯ２とＳｉＯ２の多層膜構造にしたものである。この半導体レーザ素子における反射側ミラーの波長に対するミラーの反射率分布図は図１３に示すとおりである。尚、他の条件は実施例５と同様である。
【０１０２】
具体的には、第１井戸層を組成式がＩｎ０．２５Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚３０Åで形成した。また、第２井戸層を組成式がＩｎ０．２５Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚３０Åで形成した。更に、第３井戸層を組成式がＩｎ０．２５Ｇａ０．８０Ｎであって、膜厚３０Åで形成した。
【０１０３】
反射側ミラーは、まず、積層半導体の共振面上に、膜厚６９１ÅのＺｒＯ２膜を成膜した。次に、膜厚１０３９ÅのＳｉＯ２膜と膜厚６９１ÅのＺｒＯ２膜とを交互に６ペア形成した。この反射側ミラーの合計膜厚は１１０７１Åとなった。
この反射側ミラーの反射率Ｒ２（λ）は、ミラーの反射率のピークは波長６２０ｎｍで９８％を示し、波長５６５ｎｍで９６％（９８×０．９８）の反射率、波長５２６ｎｍで２９％（９８×０．３）の反射率を示す。
作製した半導体レーザ素子は、５５０ｎｍに発振ピークを持つものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の主要構成を説明する概念図である。
【図２】本発明の半導体レーザ素子１のピーク波長λ０の自然発光スペクトルを示す図である。
【図３】ＳｉＯ２とＺｒＯ２とからなるミラーのペア数を変更させた場合の反射率を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図５】本発明の実施形態に係る、出射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図６】（Ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図、（Ｂ）は、その半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子について、計算により求めた波長に対する閾値電流密度分布図である。
【図８】本発明の半導体レーザ素子の発振スペクトル図である。
【図９】本発明の実施形態に係る、出射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る、反射側ミラーの波長に対するミラー反射率分布図である。
【図１４】発振波長が４５０ｎｍ以上の長波長レーザ素子における波長と光閉じ込め係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１      半導体レーザ素子
２      出射側ミラー
３      反射側ミラー
４      活性層
５      第２導電型半導体層
６      第１導電型半導体層
７      積層半導体
【図１】
2009016684.tif 000004
【図２】
2009016684.tif 000005
【図３】
2009016684.tif 000006
【図４】
2009016684.tif 000007
【図５】
2009016684.tif 000008
【図６】
2009016684.tif 000009
【図７】
2009016684.tif 000010
【図８】
2009016684.tif 000011
【図９】
2009016684.tif 000012
【図１０】
2009016684.tif 000013
【図１１】
2009016684.tif 000014
【図１２】
2009016684.tif 000015
【図１３】
2009016684.tif 000016
【図１４】
2009016684.tif 000017