(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に前記リッジの側部に沿って選択的に形成された光閉込め層と、
この光閉込め層上及び前記第２導電型クラッド層のリッジ上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記基板における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記コア領域内の活性層は、少なくともＩｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸であり、
前記光閉込め層は、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が前記第２導電型クラッド層の屈折率より大きいものであり、
前記光閉込め層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーより小さい関係にあり、
前記第１導電型クラッド層がＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、前記第２導電型クラッド層がＩｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、
前記第１導電型クラッド層と前記活性層とのＡｌ組成差ΔＺAl（＝前記第１導電型クラッド層のＡｌ組成−活性層のＡｌ組成）と、前記第２導電型クラッド層と前記活性層とのＡｌ組成差ΔＷAl（＝前記第２導電型クラッド層のＡｌ組成−活性層のＡｌ組成）と、前記コア領域の総厚ｄと、前記井戸層から決まる発振波長λに対し、前記第１導電型クラッド層の厚さＨ１及び前記第２導電型クラッド層におけるリッジを含む厚さＨ２が、
０．１８（ΔＺAlｄ／λ）-1/2≦Ｈ１／λ≦０．２７（ΔＺAlｄ／λ）-1/2
０．１８（ΔＷAlｄ／λ）-1/2≦Ｈ２／λ≦０．２７（ΔＷAlｄ／λ）-1/2
を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に前記リッジの側部に沿って選択的に形成された光閉込め層と、
この光閉込め層上及び前記第２導電型クラッド層のリッジ上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記第１導電型コンタクト層における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記コア領域内の活性層は、少なくともＩｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸であり、
前記光閉込め層は、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が前記第２導電型クラッド層の屈折率より大きいものであり、
前記光閉込め層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーより小さい関係にあり、
前記第１導電型クラッド層がＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、前記第２導電型クラッド層がＩｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、
前記第１導電型クラッド層と前記活性層とのＡｌ組成差ΔＺAl（＝前記第１導電型クラッド層のＡｌ組成−活性層のＡｌ組成）と、前記第２導電型クラッド層と前記活性層とのＡｌ組成差ΔＷAl（＝前記第２導電型クラッド層のＡｌ組成−活性層のＡｌ組成）と、前記コア領域の総厚ｄと、前記井戸層から決まる発振波長λに対し、前記第１導電型クラッド層の厚さＨ１及び前記第２導電型クラッド層におけるリッジを含む厚さＨ２が、
０．１８（ΔＺAlｄ／λ）-1/2≦Ｈ１／λ≦０．２７（ΔＺAlｄ／λ）-1/2
０．１８（ΔＷAlｄ／λ）-1/2≦Ｈ２／λ≦０．２７（ΔＷAlｄ／λ）-1/2
を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記第２導電型クラッド層におけるリッジを含まない厚さＨoutは、０．３μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記光閉込め層の導電型は、前記第２導電型クラッド層の導電型と同じであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記第２導電型クラッド層のリッジと前記第２導電型コンタクト層との間に形成され、前記第２導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーと前記第２導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーをもつ第２導電型キャップ層を備えており、
前記光閉込め層と前記第２導電型コンタクト層とは、同一材料からなる１つの層であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア領域は、
前記活性層を挟むように形成され、前記量子井戸の平均屈折率より小さくかつ各クラッド層の屈折率より大きい屈折率を有する複数の導波層と、
少なくとも一方のクラッド層と前記活性層との間に形成され、Ｉｎs Ｇａt Ａｌh Ｂ1-s-t-h Ｎ（０≦ｓ，ｔ，ｈ，ｓ＋ｔ＋ｈ≦１）からなり、前記導波層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するキャリアオーバーフロー防止層とを備えていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体レーザにおいて、
前記キャリアオーバーフロー防止層のＡｌ組成ｈは、０＜ｈ＜０．２を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項８】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成され、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Ｉｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記基板における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記活性層は、Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなり、
前記井戸層の総厚ｄactは、０．５μｍ未満であり、
前記各クラッド層のＡｌ組成ｘAl、コア領域の平均Ｉｎ組成ｙIn、両組成の和Δｘ（＝ｘAl＋ｙIn）、前記コア領域の総厚Ｈcoreおよび前記各クラッド層の厚さＨcladは、発振波長λに対し、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．０８を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成され、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Ｉｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記第１導電型コンタクト層における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記活性層は、Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸からなり、
前記井戸層の総厚ｄactは、０．５μｍ未満であり、
前記各クラッド層のＡｌ組成ｘAl、コア領域の平均Ｉｎ組成ｙIn、両組成の和Δｘ（＝ｘAl＋ｙIn）、前記コア領域の総厚Ｈcoreおよび前記各クラッド層の厚さＨcladは、発振波長λに対し、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．０８を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１０】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成され、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成され、Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸の活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Ｉｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記基板における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記コア領域は、前記活性層を挟むように形成されたＩｎh Ｇａi Ａｌj Ｂ1-h-i-j Ｎ（０＜ｈ≦１，０≦ｉ＜１，０≦ｊ＜１）からなる複数の導波層を含み、
前記コア領域の総厚Ｈcoreおよびコア領域の平均Ｉｎ組成ｙInは、発振波長λに対し、（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．１５を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１１】
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された第１導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成され、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる第１導電型クラッド層と、
この第１導電型クラッド層上に形成され、Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸または多重量子井戸の活性層を含むコア領域と、
このコア領域上に形成され、Ｉｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなり、ストライプ状のリッジを有する第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ構造と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２導電型コンタクト層と、
この第２導電型コンタクト層上に形成された第１電極と、
前記第１導電型コンタクト層における前記第１導電型クラッド層とは異なる領域に形成された第２電極とを備え、
前記コア領域は、前記活性層を挟むように形成されたＩｎh Ｇａi Ａｌj Ｂ1-h-i-j Ｎ（０＜ｈ≦１，０≦ｉ＜１，０≦ｊ＜１）からなる複数の導波層を含み、
前記コア領域の総厚Ｈcoreおよびコア領域の平均Ｉｎ組成ｙInは、発振波長λに対し、（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．１５を満たしていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記基板は、サファイア、ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＮｄＧａＯ3 ，ＬｉＧａＯ2 、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12（ＹＡＧ），又はＹ3 Ｆｅ5 Ｏ12（ＹＩＧ）のいずれかからなることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体材料を用いた半導体レーザに係わり、特にＩｎＧａＡｌＢＮ系材料を用いた半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化等で必要とされる短波長光源として、ＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いた半導体レーザの開発が進められている。この種の材料による半導体レーザでは、短波長化により小さなビームに絞ることが可能となり、光ディスクなどの高密度情報処理用の光源として期待されている。この材料系で電流注入による発振を実現した構造として、多重量子井戸構造を用いた半導体レーザが報告されている（例えば下記文献）。
【０００３】
１）S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, N.Iwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku and Y.Sugimoto:"InGaN-based multi-quantum-well-structure laser diodes",Jpn.J.Appl.Phys.,35(1996)pp.L74-L76.
２）S.Nakamura, M.Senoh, S.Nagahama, N.Iwasa, T.Yamada, T.Matsushita, H.Kiyoku and Y.Sugimoto:"InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes with cleaved mirror facets",Jpn.J.Appl.Phys.,35(1996)pp.L217-L220.
バルク活性層に対して薄膜活性層を用いた多重量子井戸構造は、しきい値を大幅に低減できることが知られている。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＮ系材料では未だしきい電流密度は高く、動作電圧も高いため、連続発振を実現するためには多くの課題がある。
【０００４】
ＩｎＧａＡｌＮ系材料で動作電圧が高い原因の一つは、ｐ型のコンタクト抵抗が極めて大きいことである。既に報告されている電極ストライプ構造では、ｐ型電極ストライプにおける電圧降下が大きく、動作電圧が高くなると共に、この領域での熱の発生が無視できない。コンタクト抵抗を低減するには電極面積を大きくすれば良いが、上記電極ストライプ構造では、電極面積を広げるとしきい電流値も大きくなってしまい、また電流注入領域が大きいために基本横モード発振も不可能となる。
【０００５】
光ディスクシステム等への応用では、半導体レーザの出射ビームを極小スポットに絞ることが必要となるため、基本横モード発振は不可欠であるが、ＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは横モード (transverse-mode)制御構造が実現されていない。従来の材料系では、例えばＩｎＧａＡｌＰ系でリッジストライプ型のＳＢＲレーザが報告されているのみである（下記文献）。
【０００６】
３）M.Ishikawa et al.:Extended Abstracts,19th Conf.Solid State Devises and Materials,Tokyo(1987)pp.115-118.
しかしながら、ＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは、上記ＳＢＲレーザとは材料系が異なるために、この構造をそのまま適用することはできない。ＩｎＧａＡｌＮ系レーザにおける電流狭窄構造としては、
４）特開平８−１１１５５８号公報（半導体レーザ素子）
に、ＧａＮを電流狭窄層に用いた構造が開示されている。この構造は、電流狭窄は可能であるが光閉込め作用はないため、非点収差等のない良質の出射ビームを得るのは困難である。
【０００７】
一般に、クラッド層中に設けた電流狭窄層を光閉込め層としても作用させるためには、その組成や厚さ、活性層からの距離等を所定の値に設定する必要がある。特にＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは、発振波長が短いために、たとえ組成が同じであっても、厚さや位置によって全く異なる導波機構となってしまう。このため、単に電流狭窄層を設けただけでは安定な基本横モード発振は得られない。
【０００８】
また、ＩｎＧａＡｌＮ系の結晶成長では、ＧａＡｌＮのようなＡｌを含む層を厚く成長させると、下地のＧａＮとの格子定数が異なるために、Ａｌを含む層にクラックが発生するという問題がある。このため層方向（垂直方向）の横モード閉込めがうまく行なわれず、しきい値が増大するか、場合によっては導波モード自体が存在し得ない場合も起こる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のＩｎＧａＡｌＮ系の半導体レーザにおいては、横モード制御構造の作成が難しく、基本横モードで連続発振するレーザの実現が困難である。
【００１８】
本発明の目的は、基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるＩｎＧａＡｌＢＮ系の半導体レーザを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る半導体レーザでは、クラッド層より屈折率の大きい光閉込め層を設け、その損失導波効果又は反導波効果によって横モードを制御することにより、動作電圧が低くかつ安定な基本横モードでの連続発振を可能としている。
【００２４】
即ち本発明は、窒素を含むIII-Ｖ族化合物半導体からなり、第１導電型のクラッド層とストライプ状のリッジを有する第２導電型のクラッド層で活性層部を挟んだダブルへテロ構造部と、このダブルへテロ構造部の第２導電型クラッド層側に接して少なくともリッジ部以外の領域に形成された光閉込め層とを備えた半導体レーザであって、光閉込め層が窒素を含むIII-Ｖ族化合物半導体からなり、該光閉込め層の屈折率が第２導電型のクラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、第１導電型のＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層とストライプ状のリッジを有する第２導電型のＩｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなるクラッド層で活性層部を挟んだダブルへテロ構造部と、このダブルへテロ構造部の第２導電型クラッド層側に接して少なくともリッジ部以外の領域に形成された光閉込め層とを備えた半導体レーザであって、光閉込め層がＩｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０≦ｐ≦１，０≦ｑ＜１，０≦ｒ≦１，０＜ｐ＋ｒ≦１，０＜ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）からなり、該光閉込め層の屈折率が第２導電型のクラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする。
【００２６】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００２７】
(1) 活性層部が、少なくともＩｎa Ｇａb Ａｌc Ｂ1-a-b-c Ｎ（０≦ａ，ｂ，ｃ，ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなる井戸層とＩｎe Ｇａf Ａｌg Ｂ1-e-f-g Ｎ（０≦ｅ，ｆ，ｇ，ｅ＋ｆ＋ｇ≦１）からなる障壁層とで構成される単一量子井戸又は多重量子井戸を備えていること。
【００２８】
(2) 障壁層の厚さが井戸層の厚さを越えないこと。
【００２９】
(3) コア領域の総厚ｄとレーザ発振波長λに対し、第１導電型クラッド層の厚さＨ１及び第２導電型クラッド層の厚さＨ２が、
０．１８（ｚｄ／λ）-1/2≦Ｈ１／λ≦０．２７（ｚｄ／λ）-1/2
０．１８（ｗｄ／λ）-1/2≦Ｈ２／λ≦０．２７（ｗｄ／λ）-1/2
を満たす範囲にあること。
【００３０】
(4) 井戸層の総厚ｄact は、０．５μｍ未満であること。
【００３１】
(5) 井戸層の総厚ｄact は、０．０４５μｍ以下であること。
【００３２】
(6) 各クラッド層のＡｌ組成ｘAl、コア領域の平均Ｉｎ組成ｙIn、両組成の和Δｘ（＝ｘAl＋ｙIn）、コア領域の総厚Ｈcoreおよび各クラッド層の厚さＨcladは、発振波長λに対し、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．０８を満たしていること。
【００３３】
(7) 上記パラメータが、さらに、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．１を満たしていること。
【００３４】
(8) 上記パラメータが、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≦０．２を満たしていること。
【００３５】
(9) 上記パラメータが、
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≦０．１５を満たしていること。
【００３６】
(10)各クラッド層のＡｌ組成ｘAlと厚さＨcladとは、
ｘAl・Ｈclad≦０．１μｍを満たしていること。
【００３７】
(11)各クラッド層のＡｌ組成ｘAlと厚さＨcladとは、
ｘAl・Ｈclad≦０．０６μｍを満たしていること。
【００３８】
(12)コア領域は、活性層を挟むように形成されたＩｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０＜ｕ≦１，０≦ｖ＜１，０≦ｗ＜１）からなる複数の導波層を含んでいる。このとき、コア領域の総厚Ｈcoreおよびコア領域の平均Ｉｎ組成ｙInは、発振波長λに対し、（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．１５を満たしていること。
(13)上記パラメータが、さらに、
（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．２を満たしていること。
【００３９】
(14)光閉込め層が第２導電型クラッド層と同じ導電型であること。
【００４０】
(15)光閉込め層のバンドギャップエネルギーが活性層部のバンドギャップエネルギーより小さいこと。
【００４１】
(16)第２導電型クラッド層上のコンタクト層と光閉込め層とが同一材料であり、ストライプ領域の第２導電型クラッド層とコンタクト層との間に、両者の中間のバンドギャップを有するキャップ層が設けられていること。
【００４２】
(17)量子井戸と各クラッド層との間に、屈折率が量子井戸の平均屈折率より小さくクラッド層の屈折率より大きい導波層をそれぞれ備え、少なくとも一方の導波層中又は導波層と量子井戸との間に、バンドギャップエネルギーが導波層のバンドギャップエネルギーより大きいＩｎs Ｇａt Ａｌh Ｂ1-s-t-h Ｎ（０≦ｓ，ｔ，ｈ，ｓ＋ｔ＋ｈ≦１）からなるキャリアオーバーフロー防止層が少なくとも１層設けられていること。
【００４３】
(18)キャリアオーバーフロー防止層のＡｌ組成ｈが、
０＜ｈ＜０．２
を満たす範囲にあること。
【００４４】
(19)第１導電型及び第２導電型の各クラッド層はＧａＡｌＮからなり、光閉込め層はＩｎＧａＮまたはクラッド層よりＡｌ組成の小さいＧａＡｌＮからなること。
【００４５】
ここで、光閉込め層は、次の(i) 〜(iii) のいずれかに示すように形成可能である。(i) 光閉込め層は、Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０．２≦ｐ≦０．３，０≦ｑ≦０．８，０≦ｒ≦０．８，０．２≦ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）からなり、該光閉込め層の屈折率が第２導電型クラッド層の屈折率より大きい。
【００４６】
(ii)光閉込め層は、Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０≦ｐ≦０．９５，０≦ｑ≦０．９５，０．０５≦ｒ≦０．３，０．０５≦ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）である。
【００４７】
(iii) 光閉込め層は、Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０≦ｐ，ｑ，０．０５≦ｒ≦０．１，０．０５≦ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）からなり、該光閉込め層の屈折率が第２導電型クラッド層の屈折率より大きい。
【００４８】
(20)下地基板として、サファイア又はＳｉＣ基板を用いること。
【００４９】
(21)第２導電型クラッド層のリッジ部は、基板側に下に凸、又は基板と反対側に上に凸に形成されていること。
【００５０】
(22)コンタクト層吸収損失αが、
α≧１００ｃｍ-1を満たしていること。
【００５１】
(23)コンタクト層吸収損失αが、
α≧５００ｃｍ-1を満たしていること。
【００５８】
（作用）
本発明によれば、ＩｎＧａＡｌＢＮ系半導体レーザで、ダブルへテロ構造部の一方のクラッド層にリッジ部を設け、このリッジ部以外の領域に、Ｉｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０≦ｐ≦１，０≦ｑ＜１，０≦ｒ≦１，０＜ｐ＋ｒ≦１，０＜ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）からなり、クラッド層より屈折率の大きい光閉込め層を設けている。この光閉込め層により、電流狭窄を行なうと共に、屈折率分布による導波構造を形成して横モードを制御するので、しきい電流密度が低減され、かつ基本横モードでの連続発振が可能となる。
【００５９】
ここで、上記のような光閉込め層は、ダブルへテロ構造部とは格子定数が大きく異なるためこれを選択成長するのは不可能と考えられている。このため、従来のＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザにおいてクラッド層のリッジ部以外に光閉込め層を形成するという技術思想は全く存在しない。しかし、本発明者らの鋭意研究及び実験により、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等で各種条件を最適化することにより、上記のような材料の光閉込め層の選択成長が可能であることが判明した。
【００６０】
しかも、Ｉｎ組成が０より大きいＩｎＧａＡｌＢＮ系光閉込め層を設けた構造では、その下のクラッド層のキャリア密度が高くなることが明らかになった。これは、Ｈ等によるＭｇアクセプタの不活性化が抑制されることに起因するもので、光閉込め層を設けない構造に比べてキャリアオーバーフローが大幅に低減されることが分った。そして、本発明のような光閉込め層を設けることによって、従来にないしきい電流密度の低減、基本横モードでの連続発振が可能となった。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００６５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【００６６】
図中１０はサファイア基板であり、この基板１０の上にＧａＮバッファ層１１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層１３，ｎ型ＧａＮ導波層１４，ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層１５，ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６，ｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層１７，ｐ型ＧａＮ導波層１８，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
【００６７】
ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層１９にストライプ状のリッジ部が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９のリッジ部以外にｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２０が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層１９及び光閉込め層２０上にはｐ型ＧａＮコンタクト層２１が形成されている。これらの結晶成長も、ＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
【００６８】
ｐ型ＧａＮコンタクト層２１からｎ型ＧａＡｌＮクラッド層１３までが部分的に除去され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２の一部が露出している。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１上にはｐ側電極２２が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２の露出部上にはｎ側電極２３が形成されている。
【００６９】
本実施形態におけるレーザの活性層部（以下、コア領域ともいう）は、Ｉｎa Ｇａ1-a Ｎ井戸層／Ｉｎe Ｇａ1-e Ｎ障壁層（ａ≧ｅ）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）の活性層１６の両側に、ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層１５，１７及びＧａＮ導波層１４，１８を設けたＳＣＨ構造となっている。なお本明細書中、コア領域は、両クラッド層間に位置した多層構造部であり、具体的には、少なくとも活性層を含んでおり、所望により、導波層、キャリアオーバーフロー防止層又はその両方を備えている。
【００７０】
また、本実施形態では、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系材料からなるｎ型クラッド層１３はＩｎ及びＢを含まないためＧａ1-z Ａｌz Ｎと表記され、さらに活性層１６はＡｌを含まないため、ＭＱＷを構成する井戸層及び障壁層はそれぞれＩｎa Ｇａ1-a Ｎ及びＩｎe Ｇａ1-e Ｎと表記される。同様に、Ｉｎu Ｇａv Ａｌw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ，ｖ，ｗ，ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）系材料からなるｐ型クラッド層１９はＩｎ及びＢを含まないためＧａ1-w Ａｌw Ｎと表記される。
【００７１】
次に、以上のように構成された半導体レーザの作用について説明する。なお、横モード制御、しきい値低減、キャリアオーバーフロー防止の順に述べる。
【００７２】
（水平方向横モード制御）
本実施形態の半導体レーザでは、ストライプ外でｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２０がコア領域に近接しているため、ストライプ外領域にて等価屈折率が小さくなり、水平方向に屈折率分布が形成されてモードの閉込めが行われる。
【００７３】
ここで、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２０のＩｎ組成は、活性層１６におけるＩｎa Ｇａ1-a Ｎ井戸層のＩｎ組成よりも高く設定されている。従って、光閉込め層２０の屈折率は、井戸層の屈折率よりも大きい。また、光閉込め層２０のバンドギャップエネルギーは、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００７４】
さらに、光閉込め層２０の屈折率はストライプ部のｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９の屈折率よりも大きく、光閉込め層２０のバンドギャップエネルギーはストライプ部のｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００７５】
このようにストライプ部より屈折率の大きい光閉込め層２０があるにも拘らず等価屈折率は小さくなる。この理由は次の通りである。すなわち、光閉込め層２０は発振波長に対して吸収損失が大であるために導波モードの減衰が大きい。このため、導波モード分布は光閉込め層２０に占める割合が極めて小さい。すなわち、光閉込め層２０の等価屈折率への寄与が小さいため、結果的にストライプ部より等価屈折率が小さくなる。
【００７６】
まとめると、図１に示す構造の半導体レーザは、ストライプ外の等価屈折率が小さく、損失が大きい損失導波構造を有する。この損失導波構造は基本横モードの安定化に極めて有効である。すなわち、ストライプ外に損失領域があるため、しみだしの大きい高次モードが基本モードに比べて損失大またはカットオフとなるので、基本モードのみが安定に発振できる。
【００７７】
このような損失導波構造は、光閉込め層２０としてコア領域よりバンドギャップエネルギーの小さい材料を使用することにより、初めて実現できる。光閉込め層としては、例えばＩｎＧａＮが大きな吸収損失をもつので適している。
【００７８】
続いて、このような横モード制御のための条件について述べる。
【００７９】
図２（ａ）は、ストライプ部とストライプ外との等価屈折率差Δｎeqに関し、ストライプ外での光閉込め層２０とコア領域との距離（ｐ型ＧａＮ導波層１７までの距離）ｈout に対する依存性を示している。図２（ｂ）は、基本モードに対する損失α0 及び１次モードと基本モードとの損失差Δαに関し、同ｈout に対する依存性を示している。
【００８０】
これらの図では、ストライプ部の層構造をｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ／ｎ−ＧａＮ（０．１μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎとし、ストライプ外の層構造をｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ／ｎ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（ｈout μｍ）／ｎ型ＩｎＧａＮとした場合の導波機構が解析される。
【００８１】
同図においてＭＱＷは、Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ井戸層（２ｎｍ）／Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎ障壁層（４ｎｍ）が、５対ある構成と、１０対ある構成との２通りが使用された。
【００８２】
基本横モードの安定化には、高次モードと基本モードとの損失差が大きい方が望ましい。図からわかるように、この観点からはｈout を大きくした方が良い。しかしｈout が大きすぎるとΔｎeqが小さくなる。１０-4程度の屈折率変化はキャリア注入によるプラズマ効果によっても生じ得るため、この領域では屈折率分布による導波構造が不安定となる。従って、ｈout の値は０．３μｍ以下、さらに望ましくは０．２μｍ以下に設定するのが良い。
【００８３】
図３（ａ）は、ｈout ＝０．２μｍの場合のしきい電流密度Ｊthに関し、ストライプ幅に対する依存性を示している。図３（ｂ）は、同ｈout の場合のα0 、Δαに関し、ストライプ幅に対する依存性を示している。
【００８４】
ストライプ幅が大きいとΔαが小さくなるため高次モードが発生し易くなる。一方ストライプ幅が小さいと基本モードの損失α0 が大きくなってしきい電流密度Ｊthが上昇する。したがって、この場合ストライプ幅Ｗは３μｍ以上に設定することが望ましい。
【００８５】
また図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、光閉込め層は、その組成も導波機構に大きく影響する。これらの図は、ストライプ部の層構造をｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ／ｎ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎとし、ストライプ外の層構造をｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ／ｎ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型ＧａＮ（０．１μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（０．０５μｍ）／ｎ型ＩｎＧａＡｌＮとした場合の導波機構を解析したものである。ストライプ外におけるｎ型ＩｎＧａＡｌＮ層が光閉込め層に相当する。
【００８６】
ここで、ＭＱＷは、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ井戸層（２ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（４ｎｍ）を５対とした構成である。
【００８７】
ここで、図４（ａ）は、光閉込め層がＩｎx Ｇａ1-x ＮまたはＧａ1-x Ａｌx Ｎの場合のストライプ内外の等価屈折率差Δｎeqと組成との関係を示している。ｘIn≧０．２の領域は、本実施形態の損失導波型に相当する。この損失導波領域は、図４（ｂ）に示すように、非点隔差（ストライプ幅が５μｍの場合）が小さいので、光ディスク応用に適したビーム特性を得ることができる。
【００８８】
また、０≦ｘIn≦０．２の領域は、ストライプ外で垂直方向の導波モードが形成されない領域であり、発振モードが不安定となる。
【００８９】
一方、光閉込め層は、導波層の屈折率よりも小さい屈折率のＧａ1-x Ａｌx Ｎを用いた場合、図４（ｂ）に示すように、導波機構が３つの領域に分類できる。第１の領域は、光閉込め層のＡｌ組成がストライプ部のクラッド層のＡｌ組成より大きく、すなわち光閉込め層の屈折率がクラッド層の屈折率よりも小さい範囲であり、いわゆる実屈折率導波構造となる。
【００９０】
第２の領域は、光閉込め層のＡｌ組成がクラッド層のＡｌ組成に近い範囲であり、小さいΔｎeqのために利得導波構造となり、図示するように、極めて大きい非点隔差をもつ。この種の大きい非点隔差のビームは光ディスク応用には適さない。
【００９１】
第３の領域は、図４（ｂ）中で注目すべき内容であり、光閉込め層のＡｌ組成がクラッド層のＡｌ組成より小さく、且つ導波層のＡｌ組成より大きく、すなわち屈折率がクラッド層より大きく導波層より小さい範囲であり、非点隔差が小さくなる“反導波領域”を有している。この反導波領域は、図４（ａ）に示すように、Δｎeqが負であり、ストライプ外の等価屈折率がストライプ内の等価屈折率より大きくなる。なお、この反導波領域を利用した実施形態については後述する。
【００９２】
また、図４（ｂ）では、光閉込め層のＡｌ組成がクラッド層のＡｌ組成より大きい実屈折率導波領域でも小さい非点隔差を得られることが示される。
【００９３】
次に、本発明による損失導波構造あるいは反導波構造が基本横モードの安定化の点で優れていることについて説明する。
【００９４】
図５（ａ）は、利得導波型、実屈折率導波型、損失導波型および反導波型の非点隔差について、ストライプ幅の依存性を示している。図５（ｂ）は、同様に夫々の導波型について１次モードと基本モードとの導波損失差Δαについて、ストライプ幅の依存性を示している。ビーム特性は小さい非点隔差が望ましい。基本横モードの安定化の観点からは、大きいモード損失差が望ましい。
【００９５】
図示されるように、利得導波型は、大きいモード損失差をもつが、極めて大きい非点隔差のため、光ディスク応用等では使用が困難である。また、実屈折率導波型は、小さい非点隔差をもつが、モード損失差も小さいため、ストライプ幅が大きくなると高次モードを発生させ易い。
【００９６】
これに対し、損失導波型および反導波型は小さい非点隔差を有し、かつ大きいストライプ幅でも大きいモード損失差を確保できる。大きいストライプ幅の方が作製プロセスが容易であり、設計の自由度も大きくなることから、本発明による半導体レーザが特性及び作製の容易さの両方で優れていることがわかる。
【００９７】
（垂直方向横モード制御）
ところで、ＩｎＧａＡｌＮ系の結晶成長で問題となるのは、例えばＧａＡｌＮ層の如き、Ａｌを含む層を厚く成長させると、下地のＧａＮとの格子定数が異なるために、Ａｌを含む層（ＧａＡｌＮ）にクラックが発生することである。この種のクラックを防ぐには、Ａｌ組成を低減するか或いはＧａＡｌＮ層の厚さを低減する必要がある。一方、Ａｌを含む層をレーザのクラッド層に用いるとき、光閉込めのためにある程度以上の屈折率差（即ち活性層とのＡｌ組成差）、及びクラッド層厚Ｈcladが必要である。活性層総厚ｄ、クラッド層厚Ｈclad、クラッド層−活性層のＡｌ組成差ΔＸA1と導波モード損失αとの関係を図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す。
【００９８】
図から分かるように、ΔＸA1が大きく、Ｈcladが大きい程、αは小さくできるが、実用的にはαは２０ｃｍ-1程度まで小さくできれば十分である。そこで、αが１００ｃｍ-1より小さく２０ｃｍ-1より大きい範囲を求めると、次の（１）式のようになる。
【００９９】
０．１８（ΔＸA1ｄ／λ）-1/2≦Ｈclad／λ≦０．２７（ΔＸA1ｄ／λ）-1/2…（１）
従って、クラッド層厚Ｈcladをこの範囲に設定することにより、結晶成長時にクラックが発生しない程度の厚さでかつ損失の少ないレーザ構造が得られる。
【０１００】
ここで、上記（１）式のＩｎＧａＡｌＮ系レーザでもうーつ考慮すべき点は、クラッド層の外側の層であるコンタクト層等がクラッド層の屈折率よりも大きい屈折率を有し、かつ発振波長に対して透明である点である。このため、クラッド層厚Ｈcladが十分大きくないとき、層方向（垂直方向）の導波構造が反導波となり、場合によってはしきい値が著しく大きくなってしまうか、あるいは導波モードが存在しない場合があり得る。
【０１０１】
図７はＳＣＨ−ＭＱＷ構造におけるクラッド層厚Ｈclad並びにガイド層厚Ｈguide と、導波モードの境界線との関係の一例を示している。ここでは層構造として、ｎ型ＧａＮ／ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（Ｈcladμｍ）／ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（Ｈguide μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（Ｈguide μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（Ｈcladμｍ）／ｎ型ＧａＮの場合の計算例を示した。ＭＱＷはＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ井戸層（２ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（４ｎｍ）が１０対の構成とした。また最外層のＧａＮの吸収係数は５００ｃｍ-1とした。
【０１０２】
図７の斜線部領域は導波モードが存在しない領域である。導波モードが存在する領域では、右下りの曲線より上が反導波領域であり、右上りの曲線より下が通常の屈折率導波領域である。境界の曲線上では光閉込め係数Γが０となり、しきい電流密度Ｊthが無限大となる。この様子を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示した。
【０１０３】
また、図９（ａ）及び図９（ｂ）に遠視野像強度分布のクラッド層厚依存性を示した。図９（ａ）はＨguide ＝０．１μｍの場合であり、図９（ｂ）はＨguide ＝０．２μｍの場合である。反導波領域のパラメータでは、遠視野像が双峰となっていることがわかる。図１０には井戸層のＩｎ組成が他の値の場合について、導波モードが存在する領域の境界を示した。
【０１０４】
図８（ａ）及び図８（ｂ）から明らかなように、しきい値低減のためには、クラッド層厚Ｈcladを、導波モードが存在しない領域の境界から十分離れた値に設定する必要がある。ここでの計算は最外層のＧａＮの吸収係数を５００ｃｍ-1とした場合であるが、実際には不純物濃度等により、この値は変わり得る。吸収係数が小さいと、より反導波性が大きくなり、導波モードの存在しないパラメータ領域も広くなる。
【０１０５】
図１１には最外層ＧａＮの吸収係数が１００ｃｍ-1の場合の導波モード存在領域の境界を示した。図１０と比較してわかるように、導波モードの存在しない領域が大きくなっている。いずれの場合にも、クラッド層厚Ｈcladや導波層厚Ｈguide 等を所定の範囲に設定する必要があることが明らかである。このＨclad等に対する条件は（１）式と同様の数式で指定可能である。但しこの条件は、（１）式が活性層厚ｄが小さい場合の近似であり、ＳＣＨ構造では光が閉込められる領域が導波層を含む厚い領域となることから、（１）式の（ΔＸAlｄ／入）-1/2の代わりに（ΔｘAlｄ／λ）-1を用いた方が良好に近似できる。具体的には、図７、図１０等からこの条件を以下のように近似できる。
【０１０６】
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．０８      …（２）
ここでＨcoreは導波層を含めたコア領域（ＭＱＷ＋導波層）の総厚であり、またΔｘはコア領域とクラッド層との組成差を表す量で、近似的にコア／クラッドの屈折率差に比例する。
【０１０７】
ここに示した層構造の例では、Δｘを以下で定義する。
【０１０８】
Δｘ＝ｘAl＋ｙIn      …（３）
ここでｘAlはクラッド層のＡｌ組成、またｙInはコア領域の平均Ｉｎ組成を表す。クラッド層にＩｎが含まれる場合には上のｘAlの代わりにｘAl−ｘIn（ｘInはクラッド層のＩｎ組成）を用いればよい。またコア領域にＡｌが含まれる場合には同様にｙInの代わりにｙIn−ｙAl（ｙAlはコア領域の平均Ａｌ組成）を用いればよい。
【０１０９】
上に示したｎ型ＧａＮ／ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（Ｈcladμｍ）／ｎ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（Ｈguide μｍ）／ＭＱＷ／ｐ型Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ（Ｈguide μｍ）／ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（Ｈcladμｍ）／ｎ型ＧａＮの例では、ｘAl＝０．１５、ｙIn＝０．０６９（Ｈguide ＝0.1 μｍ、井戸数１０の場合）となる。この場合に（２）式で与えられるクラッド層厚の条件はλ＝４２０ｎｍの場合、Ｈclad≧０．２４４μｍとなる。なお（２）式の左辺はコア部への光閉込めの度合を表す量に対応している。
【０１１０】
上記パラメータΔｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）に対するしきい値の依存性を図１２に示す。この図で縦軸はしきい値を活性層の井戸総厚で割った値、Ｊth／ｄact である。図に示すように、Ｊth／ｄact はΔｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）に大きく依存している。また、この依存性は、図示されるように、最外層であるコンタクト層等の吸収係数の大きさによっても変わる。実際にコンタクト層は不純物濃度が極めて高い場合が多いので、吸収係数も変わり得る。なお、当然のことながらＪthはｄact にも依存する。低しきい値化にはｄact も小さくした方が良い。例えば図１２でΔｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）が十分大きい場合にＪth／ｄact 〜２×１０9 ｃｍ-3となる。ここで、Ｊth＜１０ｋＡ／ｃｍ2 とするためには、ｄact ＜０．０５μｍとする必要がある。別の計算によれば、活性層総厚が０．０５μｍ以上ではキャリアオーバーフローの影響も大きくなることがわかった。
【０１１１】
以上から、ＩｎＧａＡｌＮ系レーザでは、（２）式に示した条件および活性層総厚に対する以下の範囲で作製することにより、低しきい値での発振が実現できる。
【０１１２】
ｄact ＜０．０５μｍ      …（４）
また、さらに望ましくは、ｄact を次の範囲にすると良い。
【０１１３】
ｄact ≦０．０４５μｍ      …（５）
なお、図１２からわかるように、Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）を次の範囲に設定すれば、コンタクト層等の吸収係数によらず、低しきい値が実現できる。
【０１１４】
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≧０．１      …（６）
（２）式あるいは（５）式はクラッド層厚Ｈcladの下限を与える式であるが、Ｈcladが大きくなりすぎてもクラッド層での電圧降下増大や前述のクラック発生等の問題が生ずる。これを回避するためには、Ｈcladを次の範囲に設定するのが望ましい。
【０１１５】
ｘAl・Ｈclad≦０．１μｍ      …（７）
さらに望ましくは次の範囲に設定するのが良い。
【０１１６】
ｘAl・Ｈclad≦０．０６μｍ    …（８）
実際に図１２からも分かるように、Ｈcladはあまり大きくする必要はなく、（２）式又は（６）式を満たす範囲であれば上限を次の（９）式で設定することにより、クラッド層での電圧降下を低減できる。
【０１１７】
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≦０．２      …（９）
さらに図１２から、以下の範囲でも十分低いしきい値が得られる。
【０１１８】
Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）≦０．１５    …（１０）
以上をまとめると、クラッド層厚Ｈcladの範囲として、下限は（２）式、さらに望ましくは（６）式で設定し、上限は（７）式、さらに望ましくは（８）式の範囲、もしくは（９）式、さらに望ましくは（１０）式の範囲に設定すれば良い。
【０１１９】
これに加えて、活性層井戸層厚ｄact を（４）式さらに望ましくは（５）式の範囲に設定することにより、低しきい値での発振を実現できる。
【０１２０】
図７〜図１１でもう１つ注目すベき点は、導波層のＩｎ組成がある程度大きく、かつ導波層厚が大きい場合には、クラッド層厚にかかわらず、しきい値が無限大とはならない場合があることである。このような場合には、導波構造が通常の屈折率導波から反導波に変わる領域でもしきい値があまり大きく変わらない（図８（ａ）及び図８（ｂ）参照）。従って、このような構造パラメータの範囲でレーザを作製すれば、しきい値が低く、かつパラメータの許容度も大きいため、極めて有効である。この範囲は以下の近似式で与えられる。
【０１２１】
（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．１５      …（１１）
さらに望ましくは、以下の範囲に設定すればより許容度が大きい。
【０１２２】
（ｙIn）1/2 ・（Ｈcore／λ）≧０．２        …（１２）
すなわち、導波層がＩｎを含み、かつ（１１）式または（１２）式を満たすように設定すれば、低しきい値で、作製許容度も大きいレーザを実現できる。
【０１２３】
以上に述べた低しきい値化のための層構造設計例を図１３に示す。この例ではＭＱＷの構造としてＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ井戸層（２ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（４ｎｍ）を１周期とする場合の例を挙げたが、勿論これ以外の構成も可能である。図１３の例は全て（２）式および（５）式の条件を満たしている。また［２］〜［８］はこれに加えて（１１）式の条件も満たしている。［６］はさらに（１２）式の条件も満たしている例である。層構造は対称である必要はなく、［７］、［８］のように非対称であってもよい。
【０１２４】
図１０と図１１を比較してわかるように、コンタクト層等のクラッド層外側の層の屈折率がクラッド層の屈折率より大きい場合には、吸収係数が大きい方が望ましい。この吸収係数の値は、図１２に基づき、次の（１３）式で示される。
【０１２５】
α≧１００ｃｍ-1      …（１３）
さらに望ましくはα≧５００ｃｍ-1      …（１４）
の範囲にあるのがよい。吸収係数を大きくする方法としては、不純物濃度を高くする以外にも、ＩｎＧａＮコンタクト層を用いることが有効である。特に井戸層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップをもつＩｎＧａＮの使用も有効である。
【０１２６】
（しきい値の低減）
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造はレーザのしきい値低減に有効である。本発明に係るＩｎＧａＡｌＮ系の半導体レーザは、このＭＱＷ構造を横モード制御構造と共に用いたことにより、しきい値低減効果を顕著に示す。これは、ＭＱＷによるしきい値低減に加え横モード制御構造によるしきい値低減の効果が加わり、またＩｎＧａＡｌＮ系で大きな問題であるコンタクト抵抗も大幅に低減できるからである。
【０１２７】
この効果を、図１４（ａ）〜図１４（ｃ）を用いて説明する。図１４（ａ）は従来の電極ストライプ構造のＩｎＧａＡｌＮレーザにおける電流分布を示している。この構造では、利得導波による基本横モード発振を実現するために、電極ストライプ幅を数μｍオーダーの極めて小さい値にする必要がある。しかし、ストライプ幅を極めて小さくするととｐ型コンタクト抵抗が著しく増大し、この部分における熱の発生によって室温での連続発振は殆ど不可能になる。
【０１２８】
これを防ぐには、ストライプ幅を大きくするか、しきい値を下げればよい。しかし、前者では基本横モード発振が得られなくなり、後者では電流密度低減により、図１４（ｂ）のようにコア領域で電流が広がってしまい、やはり基本横モード発振が得られなくなる。
【０１２９】
これに対して、本発明による横モード制御構造では、光閉込め層により発振横モードが決定されるため電流値によるモードへの影響は殆どなく、また光閉込め層が電流狭窄層の役割も果たしているために、電流値も低減できる。これとＭＱＷによるしきい値低減効果により、動作電流は大幅に低減できる。さらに、図１４（ｃ）に示したようにｐ型コンタクト層で電流が広がるので、コンタクト抵抗は大幅に低減でき、熱の発生もなくなる。従って、この構造によって初めて室温での連続発振が可能となる。
【０１３０】
（キャリアオーバーフロー防止）
ＩｎＧａＡｌＮ系では、前述した成長時のクラックの問題に加え、高キャリア濃度のｐ型結晶を得ることが難しいという問題がある。ｐ型クラッド層のキャリア濃度が低いと、活性層からｐ型クラッド層への電子のオーバーフローが起こり、しきい値を著しく増大させてしまう。特に、クラッド層キャリア濃度が１０17ｃｍ-3より低いと、これが顕著である。実際の結晶では、クラッド層に用いるようなＡｌ組成の大きい結晶で特に高キャリア濃度を得るのが困難のため、問題である。
【０１３１】
低キャリア濃度でもキャリアオーバーフローが起こるのを防ぐため、本実施形態では、ＭＱＷ活性層１６と導波層１４，１８との間に、ＧａＡｌＮからなるキャリアオーバーフロー防止層１５，１７を設けている。このオーバーフロー防止層１５，１７は５ｎｍ〜５００ｎｍの非常に薄い層であるため、導波モード分布の形状には殆ど影響を与えないが、活性層とのへテロバリアの効果により、キャリアオーバーフローを効果的に防止することができる。
【０１３２】
このオーバーフロー防止層は、クラッド層のキャリア濃度が低い場合に特に効果が顕著である。ＩｎＧａＡｌＮ系では、比較的高いキャリア濃度のｎ型ＧａＡｌＮ層を形成できるため、ｎ側のオーバーフロー防止層はなくても良い。但し、結晶のモフォロジー改善等の目的でキャリア濃度を低減する場合には、ｎ側のオーバーフロー防止層があった方が良い。これは、ｐ側キャリアオーバーフロー防止層についても同様であって、１０17ｃｍ-3程度或いはそれ以上のキャリア濃度のｐ型クラッド層を用いる場合には、キャリアオーバーフロー防止層は不要となる。
【０１３３】
ｐ型クラッド層１９のキャリア濃度が低い場合のｐ側オーバーフロー防止層１７の効果を図１５及び図１６に示す。図１５はｐ型クラッド層１９のキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3で、オーバーフロー防止層が入っていない場合について、バンド構造及び電子と正孔の分布を示したものである。図から明らかなように、活性層からｐ型クラッド層側に著しい電子のオーバーフローが起こっている。
【０１３４】
これに対して、図１６はＭＱＷ活性層１６とｐ側導波層１８との間にＧａ0.85Ａｌ0.15Ｎオーバーフロー防止層１７を設けた場合を示している。この層１７によりｐ側への電子のオーバーフローが殆どなくなっていることが分かる。この図では、ｐ側導波層１８はノンドープとし、オーバーフロー防止層１７もノンドープとした。ノンドープのオーバーフロー防止層でも、この図に示したように顕著な効果があるが、ｐ型にドーピングすれば、さらに効果は大きい。
【０１３５】
キャリアオーバーフロー防止の効果は、オーバーフロー防止層Ｇａ1-h Ａｌh ＮのＡｌ組成ｈが大きい程顕著になるが、一方ｈが大きすぎると、ｐ側から活性層への正孔の注入が妨げられ、動作電圧上昇の要因となる。特に、ｈが０．２を越えると動作電圧上昇が顕著になる。従って、オーバーフロー防止層のＡｌ組成ｈは、
０＜ｈ＜０．２            …（１５）
の範囲にあることが望ましい。
【０１３６】
なお、キャリアオーバーフロー防止層はＧａＡｌＮに限るものではなく、更にＩｎを含むものであってもよく、また更にＢを含むものであってもよい。即ちキャリアオーバーフロー防止層は、Ｉｎs Ｇａt Ａｌh Ｂ1-s-t-h Ｎ（０≦ｓ，ｔ，ｈ，ｓ＋ｔ＋ｈ≦１）からなり、導波層よりもバンドギャップエネルギーが大きいものであればよい。また、必ずしもＭＱＷ層に接して設ける必要はなく、導波層の途中にあってもよい。さらに、一層のみである必要もなく、複数層を多段に設けてもよい。
【０１３７】
上述したように本実施形態によれば、ＩｎＧａＡｌＢＮ系半導体レーザにおいて、ダブルへテロ構造部にクラッド層のリッジ部を形成し、その側面にクラッド層より屈折率の高い光閉込め層を設けることにより、しきい電流密度の低減と共に、基本横モードでの連続発振を実現することができる。また、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることができる。
【０１３８】
（第２の実施形態）
図１７は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１３９】
図中３０はサファイア基板であり、この基板３０の上にＧａＮバッファ層３１，ｎ型ＧａＮコンタクト層３２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層３３，ｎ型ＧａＮ導波層３４，ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層３５，ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）活性層３６，ｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層３７，ｐ型ＧａＮ導波層３８，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
【０１４０】
ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層３９にストライプ状のリッジ部が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９のリッジ部以外に、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層４０が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層３９及び光閉込め層４０上には、ｐ型ＧａＮ層４１，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層４２が成長形成されている。これらの結晶成長も、ＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層４２からｎ型ＧａＡｌＮクラッド層３３までが部分的に除去され、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の一部が露出している。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層４２上にはｐ側電極４３が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の露出部上にはｎ側電極４４が形成されている。
【０１４１】
本実施形態が図１に示した第１の実施形態と異なる点は、活性層部が多重量子井戸ではなく、ＩｎＧａＮからなる単一量子井戸となっていることである。単一量子井戸とすることにより、しきい値を低減する設計が可能である。この場合、光閉込めが小さくなるため、通常は導波損失増大によりしきい値が上昇してしまうが、導波層厚を最適化することにより導波損失を低減でき、しきい値も下げることが可能である。
【０１４２】
この実施形態では、さらにコンタクト層４２としてｐ型ＩｎＧａＮを用いている。ｐ型ＩｎＧａＮはｐ型ＧａＮに比べてバンドギャップが小さいので、電極との間のショットキー障壁を低減でき、コンタクト抵抗をより低減することが可能となる。
【０１４３】
（第３の実施形態）
図１８は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１４４】
図中５０はｎ型ＳｉＣ基板であり、この基板５０の上にｎ型ＺｎＯバッファ層５１，ｎ型ＧａＮ層５２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層５３，ｎ型ＧａＮ導波層５４，ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層５５，ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ活性層）５６，ｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層５７，ｐ型ＧａＮ導波層５８，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層５９が成長形成されている。なお、これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、或いは両者の組合わせによって行われる。
【０１４５】
ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層５９はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層５９にストライプ状のリッジ部が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層５９のリッジ部以外に、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層６０が選択的に埋込み形成され、さらにクラッド層５９及び光閉込め層６０上には、ｐ型ＧａＮコンタクト層６１が成長形成されている。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層６１上にはｐ側電極６２が形成され、ｎ型ＳｉＣ基板５０の裏面にはｎ側電極６３が形成されている。
【０１４６】
本実施形態では、基板５０として導電性のｎ型ＳｉＣ基板を用いている。これにより、電流を上下方向に流すことができるため、マウント等がより容易となり、また熱抵抗も低減される。
【０１４７】
以上の実施形態では光閉込め層としてＩｎＧａＮの場合を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、バンドギャップエネルギーが活性層よりも小さいＩｎp Ｇａq Ａｌr Ｂ1-p-q-r Ｎ（０＜ｐ≦１，０≦ｑ，ｒ＜１，０＜ｐ＋ｑ＋ｒ≦１）であれば良い。また、クラッド層もＧａＡｌＮのみならず、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）を用いることができる。
【０１４８】
図１５及び図１６で示されているようにＭＱＷへの電子，正孔の注入は一般に不均一となり、しきい値増加の要因の一つとなる。これは、ＭＱＷの層数が多いほど顕著になる。この不均一を低減するには障壁層の厚さを小さくすることが有効である。特に、障壁層の厚さが井戸層の厚さを越えないように設定すると、比較的均一な注入が得られ、しきい値が低減される。
【０１４９】
（第４の実施形態）
図１９は本発明の第４の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１５０】
図中７０はサファイア基板であり、この基板７０の上にＧａＮバッファ層７１，ｎ型ＧａＮコンタクト層７２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層７３，ｎ型ＧａＮ導波層７４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸７５，ｐ型ＧａＮ導波層７６，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層７７，ｐ型ＧａＮキャップ層７８，ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層７９が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層７９は同時にｐ型コンタクト層の役割も果たしている。これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
【０１５１】
ｐ型ＧａＮキャップ層７８及びｐ型ＧａＡｌＮクラッド層７７はストライプ部分を除いてクラッド層の途中までエッチング除去され、これによりクラッド層７７にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層７９が形成される。この結晶成長もＭＯＣＶＤ法或いはＭＢＥ法によって行われる。
【０１５２】
ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層７９からｎ型ＧａＡＩＮクラッド層７３までが部分的に除去され、ｎ型ＧａＮコンタクト層７２の一部が露出している。この後、ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層７９上にはｐ側電極８０、ｎ型ＧａＮコンタクト層７２の露出部上にはｎ側電極８１が形成される。ｐ側電極８０には、例えばＰｔ／ＴｉＮ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造、ｎ側電極８１には、例えばＴｉ／Ａｕの積層構造等が用いられる。
【０１５３】
このレーザの活性層部はＩｎa Ｇａ1-a Ｎ井戸層／Ｉｎe Ｇａ1-e Ｎ障壁層（ａ≧ｅ）からなる多重量子井戸、及びＧａＮ導波層を設けたＳＣＨ構造となっている。
【０１５４】
図１９に示した構造の特徴はｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層７９がコンタクト層を兼ねていることである。このため、結晶成長は２回で済み、２回目の再成長も選択成長である必要はない。従って、極めて簡単なプロセスで横モード制御構造が実現できることになる。この構造では、発振波長に対して吸収係数の大きいＩｎＧａＮ層がストライプ外で活性層に近接して設けられているので、ストライプ外の等価屈折率実数部がストライプ部より小さくなり、これにより水平方向の横モード閉込めが実現される。
【０１５５】
一方、この構造における電流狭窄は、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層７７とｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層７９との間のヘテロ障壁により実現される。即ち、図２０（ａ）に示したように、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層とｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層との界面における価電子側のバンド不連続により生じるヘテロ障壁のために、この界面では電流が殆ど流れない。一方、ストライプ部では、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層７７とｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層７９との間に両者の中間のバンドギャップエネルギーを有するｐ型ＧａＮキャップ層７８が設けられているために、図２０（ｂ）に示したようにヘテロ障壁高さが低減され、電流が容易に流れる。
【０１５６】
ＩｎＧａＮ層を光閉込め層／コンタクト層に用いることの、もう一つの利点は、その下のクラッド層のキャリア密度として高い値を実現できることである。本発明者らの実験によれば、Ｉｎ組成が０より大きいＩｎＧａＡｌＮを設けた構造では、その下のクラッド層のキャリア密度が高くなることが明らかになった。例えば、ＧａＮコンタクト層のみの場合にはｐ型クラッド層のキャリア密度が１×１０16ｃｍ-3以下であったものが、ＩｎＧａＮ層を設けることにより、５×１０16ｃｍ-3以上とすることができた。これは水素（Ｈ）等によるＭｇアクセプタの不活性化が抑制されることに起因するものである。これにより、ＩｎＧａＡｌＮ光閉込め層を設けない構造に比べてキャリアオーバーフローが大幅に低減されることが分った。
【０１５７】
図２０の計算例では、ｐ型クラッド層がキャリア密度５×１０16ｃｍ-3のＧａ0.85Ａｌ0.15Ｎ、ｐ型コンタクト層がキャリア密度１×１０17ｃｍ-3のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ、ｐキャップ層がキャリア密度１×１０17ｃｍ-3のＧａＮの場合を示している。これらの組み合わせは、これに限ったものではなく、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とのヘテロ障壁が電流阻止に十分な大きさを持っていれば良い。
【０１５８】
図２０（ａ）のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層が、それぞれｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（キャリア密度５×１０16ｃｍ-3）、ｐ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（キャリア密度１×１０17ｃｍ-3）の場合の電流密度−電圧特性を図２１に示す。図２０（ｂ）のキャップ層はｘ＝０のＧａＮで、この場合には電圧〜３．７Ｖでレーザ発振が得られる（この電圧にはコンタクト抵抗等は含めていない）。一方、Ｉｎ組成ｘが大きくなると電流が流れ難くなることが分る。ｘが０．１より大きい動作電圧（〜３．７Ｖ）での電流値は１／２以下となり、図１９に示す構造のときに十分な電流狭窄効果が得られる。
【０１５９】
このヘテロ障壁による電流阻止効果は、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とのバンドギャップ差だけでなく、２つの層のキャリア密度にも依存する。例えば、ｐ型クラッド層のキャリア密度が１×１０17ｃｍ-3より大きくなると、電流阻止の効果は低減する。従って、図１９に示す構造においてヘテロ障壁による電流阻止効果を十分得るためには、ｐ型クラッド層のキャリア密度を１×１０17ｃｍ-3以下、ｐ型クラッド層のＡｌ組成とｐ型コンタクト層のＩｎ組成の和を０．２５以上とすることが望ましい。また、キャリアオーバーフロー低減の観点からはｐ型クラッド層キャリア密度は低すぎない方が良く、望ましくは５×１０16ｃｍ-3以上が良い。
【０１６０】
また、ヘテロ障壁による電流阻止効果はｐ型ＧａＡｌＮ／ｐ型ＩｎＧａＮの組み合わせに限るものではない。この材料系は組成によりバンドギャップ差を大きくとることができるので、価電子帯側のバンド不連続と同様に、伝導帯側のバンド不連続も大きくなる。図２２に、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ（キャリア密度５×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（キャリア密度１×１０18ｃｍ-3）をそれぞれクラッド層及びコンタクト層に用いた場合の電流密度−電圧特性を示す。ｎコンタクト層のＩｎ組成ｘが大きくなると電流が流れ難くなることが明らかである。この場合にはｘ≧０．１５で十分な電流阻止効果が得られる。
【０１６１】
（第５の実施形態）
図２３は、本発明の第５の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１６２】
図中９０はサファイア基板であり、この基板９０の上にＧａＮバッファ層９１，ｐ型ＧａＮコンタクト層９２，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層９３，ｐ型ＧａＮ導波層９４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸９５，ｎ型ＧａＮ導波層９６，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層９７，ｎ型ＧａＮキャップ層９８，ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９９が形成されている。ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９９は同時にｎ型コンタクト層の役割も果たしている。
【０１６３】
ｎ型ＧａＮキャップ層９８及びｎ型ＧａＡｌＮクラッド層９７はストライプ部分を除いてクラッド層の途中までエッチング除去され、これによりクラッド層９７にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層９９が形成される。
【０１６４】
ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層９９からｐ型ＧａＡｌＮクラッド層９３までが部分的に除去され、ｐ型ＧａＮコンタクト層９２の一部が露出している。この後、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層／コンタクト層９９上にはｎ側電極１００、ｐ型ＧａＮコンタクト層９２の露出部上にはｐ側電極１０１が形成されている。
【０１６５】
図２３に示した構造では、ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９９がコンタクト層を兼ねている。従って、図１９の場合と同様に、結晶成長は２回で済む。横モード制御の原理は図１９の場合と同じであり、また電流狭窄は、ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層９７とｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層９９との間のヘテロ障壁により実現される。このヘテロ障壁による電流阻止の効果は図２２に示した通りである。
【０１６６】
ヘテロ障壁による電流阻止効果は、２種類の材料のバンドギャップ差が大きい程顕著であるので、組成差の大きい組み合わせが望ましい。しかしながら、一方でストライプ部では、バンドギャップ差が大きすぎると、例え中間のバンドギャップを持つキャップ層を設けたとしても、電流が流れ難くなる場合もある。これを改善するには、中間のバンドギャップを持ち、そのバンドギャップの値が異なる複数のキャップ層を設けると良い。
【０１６７】
（第６の実施形態）
図２４は、本発明の第６の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１６８】
図中１１０はサファイア基板であり、この基板１１０の上にＧａＮバッファ層１１１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１１２，ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１１３，ｎ型ＧａＮ導波層１１４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸１１５，ｐ型ＧａＮ導波層１１６，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１１７，ｐ型ＧａＮ第１キャップ層１１８，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ第２キャップ層１１９，ｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉込め層１２０が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層１２０は同時にｐ型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の１２１はｐ側電極、１２２はｎ側電極である。
【０１６９】
この図に示した構造ではｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１１７とｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉込め層１２０との組成差が大きくバンドギャップ差が大きいために、ヘテロ障壁による電流阻止効果が大きい。一方、ストライプ部のクラッド層上には、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１１７とｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉込め層１２０との中間のバンドギャップを持つ２種類のキャップ層を設けてある。バンドギャップはｐ型クラッド層，第１キャップ層，第２キャップ層，光閉込め層の順に小さくなっていくため、ヘテロ障壁が段階的に低減され、より電流が流れ易い構造となっている。
【０１７０】
図２４の実施形態では中間バンドギャップを持つキャップ層を２層としたが、これに限るものではなく、クラッド層と光閉込め層とのバンドギャップ差に応じて、さらに多段階のキャップ層を導入することも勿論可能である。
【０１７１】
（第７の実施形態）
図２５は、本発明の第７の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１７２】
図中１３０はサファイア基板であり、この基板１３０の上にＧａＮバッファ層１３１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１３２，ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１３３，ｎ型ＧａＮ導波層１３４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸１３５，ｐ型ＧａＮ導波層１３６，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１ｐ型クラッド層１３７，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第２ｐ型クラッド層１３８，ｐ型ＧａＮ第１キャップ層１３９，ｐ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ第２キャップ層１４０，ｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉込め層１４１が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層１４１は同時にｐ型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の１４２はｐ側電極、１４３はｎ側電極である。
【０１７３】
各層のキャリア密度は、第１ｐ型クラッド層１３７が５×１０17ｃｍ-3、第２ｐ型クラッド層１３８が５×１０16ｃｍ-3、また第１キャップ層１３９，第２キャップ層１４０，光閉込め層／コンタクト層１４１はいずれも１×１０17ｃｍ-3とした。
【０１７４】
この図に示した構造の特徴は、活性層側の第１ｐ型クラッド層１３７のキャリア密度を大きくして動作時のキャリアオーバーフローを低減すると共に、光閉込め層１４１と接する第２ｐ型クラッド層のキャリア密度を比較的低くして、ヘテロ障壁による電流阻止効果を確保している点である。ストライプ部で電流が流れる原理は図１９、図２３及び図２４の場合と同様である。
【０１７５】
（第８の実施形態）
図２６は、本発明の第８の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１７６】
図中１５０はサファイア基板であり、この基板１５０の上にＧａＮバッファ層１５１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１５２，ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１５３，ｎ型ＧａＮ導波層１５４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸１５５，ｐ型ＧａＮ導波層１５６，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１ｐ型クラッド層１５７，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第２ｐ型クラッド層１５８，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第３ｐ型クラッド層１５９，ｐ型ＧａＮキャップ層１６０，ｐ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光閉込め層１６１が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層１６１は、同時にｐ型コンタクト層の役割も果たしている。また、図中の１６２はｐ側電極、１６３はｎ側電極である。
【０１７７】
この実施形態における各層のキャリア密度は、第１ｐ型クラッド層１５７が５×１０17ｃｍ-3、第２ｐ型クラッド層１５８が５×１０16ｃｍ-3、第３ｐ型クラッド層１５９が５×１０17ｃｍ-3、また、キャップ層１６０、光閉込め層／コンタクト層１６１はいずれも１×１０17ｃｍ-3である。
【０１７８】
この図に示した構造の特徴は、活性層側の第１ｐ型クラッド層１５７のキャリア密度を大きくして動作時のキャリアオーバーフローを低減すると共に、光閉込め層１６１と接する第２ｐ型クラッド層のキャリア密度を比較的低くして、ヘテロ障壁による電流阻止効果を確保し、さらにキャップ層１６０と接する第３ｐ型クラッド層のキャリア密度を高くして、ストライプ部でより電流が流れ易いようにしていることである。
【０１７９】
（第９の実施形態）
図２７は、本発明の第９の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１８０】
図中１７０はサファイア基板であり、この基板１７０の上にＧａＮバッファ層１７１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１７２，ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層１７３，ｎ型ＧａＮ導波層１７４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸１７５，ｐ型ＧａＮ導波層１７６，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１ｐ型クラッド層１７７，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第２ｐ型クラッド層１７８，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第３ｐ型クラッド層１７９，ｐ型ＧａＮキャップ層１８０，ｐ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光閉込め層１８１，ｐ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎコンタクト層１８２が形成されている。また、図中の１８３はｐ側電極、１８４はｎ側電極である。
【０１８１】
この実施形態における各層のキャリア密度は、第１ｐ型クラッド層１７７が５×１０17ｃｍ-3、第２ｐ型クラッド層１７８が５×１０16ｃｍ-3、第３ｐ型クラッド層１７９が５×１０17ｃｍ-3、キャップ層１８０が１×１０17ｃｍ-3、光閉込め層１８１が１×１０17ｃｍ-3、コンタクト層１８２が５×１０17ｃｍ-3である。
【０１８２】
この図に示した構造の特徴は、図２６に示した第８の実施形態における特徴に加えて、ｐ電極側に、さらにキャリア密度の高いコンタクト層１８２を設けていることである。これにより、コンタクト抵抗が低減されるために、動作電圧を大幅に低減することができる。
【０１８３】
なお、このようなキャリア密度の高いコンタクト層を設ける構造は、この実施形態に限るものではなく、第４〜第７の実施形態構造に対しても適用できることはいうまでもない。
【０１８４】
（第１０の実施形態）
図２８は、本発明の第１０の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１８５】
図中１９０はサファイア基板であり、この基板１９０の上にＧａＮバッファ層１９１，ｎ型ＧａＮコンタクト層１９２，ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層１９３が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層１９３及びｎ型ＧａＮコンタクト層１９２の上部は、その一部がエッチングされ、ストライプ状の溝が形成される。この上に、ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層１９４，ｎ型ＧａＮ導波層１９５，ＩｎＧａＮ多重量子井戸１９６，ｐ型ＧａＮ導波層１９７，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層１９８，ｐ型ＧａＮ層１９９，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２００が形成されている。つまり、ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層１９４に下側に凸のリッジ部が形成されている。また、図中の２０１はｐ側電極、２０２はｎ側電極である。
【０１８６】
この実施形態では、光閉込め層１９３が活性層より基板側に位置している。ストライプ両側では光閉込め層１９３と量子井戸活性層１９６とが近接しているために、光閉込め層１９３の吸収損失の影響で等価屈折率の実数部が小さくなり、これにより形成された等価屈折率分布によって、水平方向の横モード閉込めが実現される。また、この光閉込め層１９３は同時に、電流狭窄層としての働きも持っている。
【０１８７】
図２８の構造を作製する際の結晶成長は、１回目の成長及び２回目の成長共にＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法で行われる。この構造も結晶成長が２回で済むという利点がある。
【０１８８】
（第１１の実施形態）
図２９は、本発明の第１１の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１８９】
図中２１０はサファイア基板であり、この基板２１０の上にＧａＮバッファ層２１１，ｐ型ＧａＮコンタクト層２１２，ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２１３が形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２１３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２１２の上部は、その一部がエッチングされ、ストライプ状の溝が形成される。この上に、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２１４，ｐ型ＧａＮ導波層２１５，ＩｎＧａＮ多重量子井戸２１６，ｎ型ＧａＮ導波層２１７，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層２１８，ｎ型ＧａＮ層２１９，ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層２２０が形成されている。また、図中の２２１はｐ側電極、２２２はｎ側電極である。
【０１９０】
この実施形態では、各層の導電型が図２８に示した実施形態とは一部を除いて逆になっている。横モード閉込めが光閉込め層２１３により実現されている点は図２８の場合と同様であるが、図２９の実施形態における電流狭窄はｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２１４とｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２１３とのヘテロ障壁により実現されている。この原理は、前記図１９、図２４〜図２７等で示したものと同様である。
【０１９１】
これまでの実施形態では、コンタクト層としてＩｎＧａＮを用いた場合を示したが、この材料に限定されるものではなく、ＩｎＧａＢＮ或いはＩｎＧａＡｌＢＮとしても良い。特にｐ型コンタクト層の場合、ｐ型ＩｎＧａＢＮ或いはｐ型ＩｎＧａＡｌＢＮとすることによって、低抵抗のコンタクト層が得られた。また、他の各層も本発明の条件を満たす範囲で、ＩｎＧａＡｌＢＮを用いることができる。
【０１９２】
また、基板もサファイア基板に限定されるものではなく、ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＮｄＧａＯ3 ，ＬｉＧａＯ2 、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12（ＹＡＧ），Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12（ＹＩＧ）等を用いることができる。
【０１９３】
（第１２の実施形態）
図３０は、本発明の第１２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０１９４】
図中２３０はサファイア基板であり、この基板２３０の上にＧａＮバッファ層２３１，ｎ型ＧａＮコンタクト層２３２，ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２３３，ｎ型ＧａＮ導波層２３４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸２３５，ｐ型ＧａＮ導波層２３６，ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２３７，ｐ型ＧａＮキャップ層２３８，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２３９，ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ光閉込め層２４０，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２４１が形成されている。また、図中の２４２はｐ側電極、２４３はｎ側電極である。
【０１９５】
この実施形態のレーザは次のように作製される。即ち、まずサファイア基板２３０の上にＧａＮバッファ層２３１，ｎ型ＧａＮコンタクト層２３２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層２３３，ｎ型ＧａＮ導波層２３４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸２３５，ｐ型ＧａＮ導波層２３６，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２３７，ｐ型ＧａＮキャップ層２３８，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２３９までを順次成長する。この上にＳｉＯ2 膜を形成し、フォトリソグラフィ等によりストライプ部を除いてｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２３９，ｐ型ＧａＮキャップ層２３８及びｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２３７の一部をエッチングで除去することによって、ストライプ状のリッジを形成する。
【０１９６】
次に、２回目の成長でｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層２４０及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２４１を形成する。この２回目の成長はストライプ部のＳｉＯ2 膜を残したまま行われ、これによりＳｉＯ2 上には結晶成長は起こらず、ストライプ外領域のみに成長する、いわゆる選択成長によって行われる。なお、ｎ電極側のエッチングは２回目の成長の前でも後でも可能である。
【０１９７】
本実施形態の特徴は、一見複雑な構造にも拘らず、結晶成長が２回で済む点である。また、コンタクト層がストライプ部及びストライプ外にも形成されているために、全面電極構造をとることができ、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２４１にも電流が広がることによって、コンタクト抵抗を低減することができる。
【０１９８】
（第１３の実施形態）
図３１は本発明の第１３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【０１９９】
本実施形態における層構造は図３０に示した第１２の実施形態とほぼ同じであるので、その詳しい説明は省略する。異なる部分は、図３０におけるｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２３９及び２４１の代わりにｐ+ 型ＧａＮ層２５０及び２５１を用いていることである。この層はｐ型ＧａＮキャップ層２３８よりキャリア密度を高く（例えば７×１０7 ｃｍ-3）設定してあるため、電流が広がり易いと共に、コンタクト抵抗も低減できる。
【０２００】
また、図３１の実施形態では、ｎ側電極を両側に設けた対称構造としている。これにより、ストライプ部での電流分布も対称性が良くなり、より安定な基本横モード発振を実現できる。
【０２０１】
（第１４の実施形態）
図３２は本発明の第１４の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中２６０はサファイア基板であり、この基板２６０の上にＧａＮバッファ層２６１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２６２、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２６３、ｎ型ＧａＮ導波層２６４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２６５、ｐ型ＧａＮ導波層２６６、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２６７、ｐ型ＧａＮキャップ層２６８が成長形成されている。ｐ型ＧａＮキャップ層２６８およびｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２６７はストライプ部分を除いてその途中までエッチング除去され、これによりクラッド層２６７にストライプ状のリッジ部が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２６７のリッジ部以外の領域にｎ型Ｇａ0.93Ａｌ0.07Ｎ光閉込め層２６９が選択的に埋込み形成され、さらにキャップ層２６８、クラッド層２６７及び光閉込め層２６９上にはｐ型ＧａＮコンタクト層２７０が形成されている。なお、２７１はｐ電極、２７２はｎ電極である。
【０２０２】
本実施形態の特徴は光閉込め層２６９にクラッド層２６７よりＡｌ組成の小さいＧａＡｌＮを用いていることである。これにより水平方向に反導波構造が形成され、水平横モードが安定化される。
【０２０３】
反導波構造は基本的にはストライプ外の等価屈折率が大きい場合に実現されるが、良好なビーム特性を得るためにはストライプ内との等価屈折率差の絶対値を所定の値より大きく設定することが重要である。前述した図４からわかるように、｜Δｎeq｜≧２×１０-3の領域に設定することにより、非点隔差の小さい特性が得られる。図３２の実施形態の例では、光閉込め層のＡｌ組成を０．０５≦ｘAl≦０．１の領域に設定することにより、ビーム特性としても優れた反導波構造を実現できる。
【０２０４】
上述したように本実施形態によれば、ＩｎＧａＡｌＢＮ系半導体レーザにおいて、ダブルヘテロ構造部の一方のクラッド層にリッジ部を形成し、このリッジ部側面にクラッド層より屈折率の高い光閉込め層を設けることにより、しきい電流密度が低減され、かつ安定な基本横モードでの連続発振が可能となる。
【０２０５】
（第１５の実施形態）
図３３は本発明の第１５の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中２８０はサファイア基板であり、この基板２８０の上にＧａＮバッファ層２８１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２８２、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２８３、ｎ型ＧａＮ導波層２８４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２８５、ｐ型ＧａＮ導波層２８６、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層２８７、ｐ型ＧａＮキャップ層２８８が成長形成されている。ｐ型ＧａＮキャップ層２８８およびｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２８７はストライプ部分を除いてエッチング除去され、これによりクラッド層２８７にストライプ状のリッジ部が形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層２８７のリッジ部以外の領域にｎ型Ｇａ0.93Ａｌ0.07Ｎ光閉込め層２８９が選択的に埋め込み形成され、さらにキャップ層２８８、クラッド層２８７及び光閉込め層２８９上にはｐ型ＧａＮ層２９０、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層２９１が形成されている。２９２はｐ電極、２９３はｎ電極である。
【０２０６】
本実施形態では光閉込め層２８９がｐ型ＧａＮ導波層２８６に接して形成されている点が図３２の実施形態とは異なる。このような構造においても反導波構造が実現されることは言うまでもない。
【０２０７】
（第１６の実施形態）
図３４は本発明の第１６の実施形態に関わる半導体レーザの構成を示す断面図である。図中３００はサファイア基板であり、この基板３００の上にＧａＮバッファ層３０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ導波層３０４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０５、ｐ型ＧａＮ導波層３０６、ｐ型ＩｎＧａＮキャップ層３０７、ｐ型ＧａＮ層３０８、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層３０９が成長形成されている。ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３０９、ｐ型ＧａＮ層３０８はストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層３０９にストライプ状のリッジ部が形成されている。この上にｐ型Ｇａ0.93Ａｌ0.07Ｎ光閉込め層３１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１１が形成されている。３１２はｐ電極、３１３はｎ電極である。
【０２０８】
本実施形態では、光閉込め層３１０がｐ型であるため、結晶成長は２回で済む。この構造では、ｐ型Ｇａ0.93Ａｌ0.07Ｎ光閉込め層３１０とｐ型ＩｎＧａＮキャップ層３０７とのヘテロ障壁により電流狭窄が行なわれる。すなわち、ストライプ外では、このヘテロ障壁により電流は流れない。一方、ストライプ部ではｐ型ＧａＮ層３０８がｐ型ＩｎＧａＮキャップ層３０７とｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３０９との間に形成されているため、ヘテロ障壁が低減されて電流が流れる。また、ｐ型Ｇａ0.93Ａｌ0.07Ｎ光閉込め層３１０の屈折率がｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層３０９より大きいので、これによる反導波構造で光閉込めが実現される。
【０２０９】
（第１７の実施形態）
図３５は本発明の第１７の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。図中３２０はサファイア基板であり、この基板３２０の上にＧａＮバッファ層３２１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２２、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層３２３、ｎ型ＧａＮ導波層３２４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３２５、ｐ型ＧａＮ導波層３２６、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１クラッド層３２７、ｐ型Ｇａ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ第２クラッド層３２８が成長形成されている。ｐ型Ｇａ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ第２クラッド層３２８、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１クラッド層３２７は、ストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層にストライプ状のリッジ部が形成されている。クラッド層３２７、３２８のリッジ部以外の領域にｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層３２９が選択的に埋込み形成され、さらに、クラッド層３２８及び光閉込め層３２９上にはｐ型ＧａＮコンタクト層３３０が形成されている。３３１はｐ電極、３３２はｎ電極である。
【０２１０】
本実施形態の導波機構は第１の実施形態と同様に損失導波型であるが、リッジ形状が上部で広くなっている点がこれまでの実施形態と異なる。このようなリッジ形状とすることにより、第２クラッド層３２８中で電流が広がるために、素子の直列抵抗を低減することができる。この構造は、クラッド層をＡｌ組成の異なるＧａＡｌＮで構成した多層構造とし、化学エッチングによるエッチング速度の差を利用して実現できる。
【０２１１】
図３６は上記実施形態の構造を作成するエッチング方法を示したものである。図中、反応容器３４０は、内部の側壁に沿ってコイル状の金属電極３４１が設けられ、且つスターラー３４２及びＮａＯＨ溶液３４３を保持している。ここで、スターラー３４２は、図示しない容器外のコントローラから回転磁場を受けて回転し、ＮａＯＨ溶液３４３を攪拌する。ＮａＯＨ溶液３４３には、ＧａＮ系多層構造を形成した基板３４４が浸される。
【０２１２】
この基板３４４は、容器外の直流電源３４５の正側に接続されている。また、容器内の金属電極３４１は、直流電源３４５の負側に接続されている。ここで、直流電源３４５をオン状態とすると、基板３４４は電気化学的にエッチングされる。
【０２１３】
このような電気化学的エッチングにより、エッチングプロファイルを図３５の実施形態に示したような形状に制御することが可能である。すなわち、図３７に示したように、Ａｌ組成の高いＧａＡｌＮ程エッチング速度が大きいために、図３５に示した形状が実現される。また、本実施形態ではｐ型ＧａＮ導波層３２６がエッチング停止層としての役割も果たしている。
【０２１４】
なお、エッチングプロファイルを制御するための多層構造は、図３５に示した２層構造に限らず、３層以上でも良く、さらに例えばＧａ0.85Ａｌ0.15ＮからＧａＮまで連続的に組成を変化させたグレーデッド層であっても良い。また、エッチング溶液もＮａＯＨに限定されるものではなく、ＫＯＨ、ＨＦ系溶液、ＨＰＯ3 等の溶液を用いることができる。
【０２１５】
（第１８の実施形態）
図３８は本発明の第１８の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。図中３５０はサファイア基板であり、この基板３５０の上にＧａＮバッファ層３５１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５２、ｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎクラッド層３５３、ｎ型ＧａＮ導波層３５４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３５５、ｐ型ＧａＮ導波層３５６、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１クラッド層３５７、ｐ型Ｇａ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ第２クラッド層３５８、ｐ型ＧａＮキャップ層３５９が成長形成されている。ｐ型ＧａＮキャップ層３５９、ｐ型Ｇａ0.9 Ａｌ0.1 Ｎ第２クラッド層３５８、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１クラッド層３５７は、ストライプ部分を除いてエッチング除去され、これにより、クラッド層にストライプ状のリッジ部が形成されている。クラッド層５７７、５７８のリッジ部以外の領域にｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層３６０が形成されている。３６１はｐ電極、３６２はｎ電極である。
【０２１６】
本実施形態における電流狭窄は、ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ第１クラッド層３５７とｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層３６０とのヘテロ障壁により実現される。また、エッチングプロファイル制御に関しては上述した通りである。
【０２１７】
（第１９の実施形態）
図３９〜図４０は、本発明の第１９の実施形態に係る半導体レーザの製造工程図である。図３９（ａ）に示すように、サファイア基板３７０上には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＧａＮからなる１０〜２００ｎｍ厚のバッファ層３７１、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなる４μｍ厚のｎ型コンタクト層３７２、Ｓｉドープのｎ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎからなる２５０ｎｍ厚のｎ型クラッド層３７３、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなる２００ｎｍ厚の導波層３７４、Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層３７５が順次形成される。
【０２１８】
続いて、ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層３７５上には、１．５ｎｍ厚のノンドープＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ及び３ｎｍ厚のノンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎの２種類のＩｎＧａＮ層を５０周期繰り返して構成される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層３７６が形成される。
【０２１９】
そして、活性層３７６上には、Ｍｇドープのｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層３７７、Ｍｇド一プのｐ型ＧａＮからなる２００ｎｍ厚の導波層３７８、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎからなるｐ型クラッド層３７９、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなる０．３μｍ厚のキャップ層３８０が順次形成される。
【０２２０】
次に、ｐ型ＧａＮキャップ層３８０上には、熱ＣＶＤ法により、ＳｉＯ2 膜からなる４００ｎｍ厚の無機マスク層３８１が堆積される。続いて、無機マスク層３８１上には、レジスト（ＡＺ４１１０）が１μｍ厚に塗布され、光露光プロセスにより、レジストにストライプパターンが転写される。現像後、ウェハーは、１２０℃の窒素雰囲気のオーブンに２０分間保持され、ポストペーキングされる。その後、無機マスク層３８１のＳｉＯ2 膜がエッチングされ、無機マスク層とレジスト層からなる２層のマスク層が形成される。
【０２２１】
次に、図３９（ｂ）に示すように、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ｐ型ＧａＮキャップ層３８０は、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３７９が露出するまでストライプ状にエッチングされる。
【０２２２】
ここで、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層の厚さは約０．３μｍと薄いため、オーバーエッチングにより、僅かに薄くなっても光の閉込め効果に影響を与える。このため、本エッチング工程ではオーバーエッチングを極力小さくする必要がある。そこで、本実施形態では、エッチングガスとしてＣｌ2 ガスと、ＳＦ6 との混合ガスを用いることにより、ＧａＮとＧａＡｌＮの選択エッチングを行なった。
【０２２３】
マイクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速電圧５００Ｖ、Ｃｌ2 ガス圧力０．４ｍＴｏｒｒ一定とし、ＳＦ6 ガスを添加した際のＧａＮとＧａ1-x Ａｌx Ｎ（ｘ＝０．２）の選択比の変化を図４１に示す。縦軸はエッチングにおけるＧａＮの選択比であり、横軸は混合ガスにおけるＳＦ6 の分圧比である。
【０２２４】
ＳＦ6 ガスの圧力が増加するに従い、選択比が増加する。これは、ＳＦ6 ガスを添加することにより、ＧａＡｌＮ層のエッチングに際し、表面に脱離し難いエッチング反応生成物であるＡｌの塩化物が生成されるためである。
【０２２５】
これにより、ＧａＡｌＮ層のエッチング速度は遅くなり、結果としてＧａＮとの選択比が大きくなる。本実施形態では、添加ガスとしてＳＦ6 ガスを用いたが、少なくともＦを成分として含むガス、例えばＣＦ4 等でも同じ効果が得られる。また、選択エッチングは、例えばＯ2 、ＣＯ、ＣＯ2 等の如き、少なくともＯを成分として含むガスであれば実行可能である。理由は、ＧａＡｌＮ層のエッチングの際に、脱離し難いＡｌの酸化物が表面に生成されるためである。
【０２２６】
さらに、ＧａＮ層３８０とＧａＡｌＮ層３７９との界面で精密にエッチングを停止するには、選択エッチングとエッチング過程のその場観察法とを併用することが好ましい。本実施形態では、レーザ干渉により、エッチング深さをモニタした。具体的には、エッチング試料表面に波長６５０ｎｍのレーザ光を照射し、反射光を検出する。このとき、レーザ光は、試料表面および試料内部の界面から反射し、これらの反射光の間で干渉が生じるため、エッチングの進行に伴い、反射光強度が振動する。この振動の検出により、エッチング量及びヘテロ界面が観察可能となる。このその場観察法によると、選択エッチング法と併用したとき、ＧａＡｌＮのエッチング速度が遅いため、ＧａＮ層３８０のエッチング時の反射光強度の振動の周期と、ＧａＡｌＮ層３７９のエッチング時の反射光強度の振動周期とでは大きな差が生じる。従って、周期が変化する時点でエッチングを終了すれば、最小のオーバーエッチング量でエッチングを終了できる。
【０２２７】
以上の方法により、本実施形態では、ＧａＡｌＮ層３７９のオーバーエッチング量４０ｎｍ以下でエッチングを終了できる。エッチング工程の後、ウェハをＨ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ溶液中に浸け、レジストマスクとエッチング残留物とが除去される。レジストマスク除去後、露出されたＳｉＯ2 マスクは、次の工程である選択成長のマスクとしても使用できる。
【０２２８】
以上の処理の後、図３９（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤによる第２回目の成長により、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなる０．５μｍ厚の光閉込め層（電流狭窄層）３８２がｐ型ＧａＮキャップ層３８０の側面に沿ってｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３７９上に形成される。第２回目の成長後、ウェハは、弗化アンモニウム溶液中に浸けられ、ＳｉＯ2 マスクが除去され、ｐ型ＧａＮキャップ層３８０が露出される。
【０２２９】
次いで、図４０（ｄ）に示すように、ＭＯＣＶＤによる第３回目の成長により、ｐ型ＧａＮキャップ層３８０上及びｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３７９上にＭｇドープのｐ型ＧａＮからなる０．５μｍ厚のコンタクト層３８３が形成される。次に、Ｃｌ2 ガスを用いたＲＩＢＥにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層３７２が露出するまでウェハの一部がエッチングされ、メサが形成される。
【０２３０】
その後、図４０（ｅ）に示すように、ｎ側の電極３８４およびｐ側の電極３８５が形成され、半導体レーザが作製された。
【０２３１】
従来、同様のレーザにおいては、第１回目の成長により、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３８２までを成長させ、その後、ドライエッチングにより電流狭窄層３８２に開口部を開け、第２回目の成長によりｐ型ＧａＮコンタクト層３８０を成長させるという製造方法もある。しかし、この従来方法の場合、成長中にｎ型ＧａＮ電流狭窄層３８２へＭＯＣＶＤ反応管周辺からのＭｇの取込まれが生じるため電流狭窄層を厚くする必要があり、そのため電流狭窄層の開口部のｐ型ＧａＮコンタクト層を厚くしなければならず、素子抵抗を増大させるという問題がある。また、従来方法の場合、電流狭窄層開口部にドライエッチング／再成長界面ができ、この界面を電流が流れるため、界面でのリーク等の素子特性劣化が懸念される問題がある。
【０２３２】
しかし、本実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３８２は第２回目の成長で積層するため、ＭＯＣＶＤ反応管周辺からのＭｇの取込まれが無く、ｎ型ＧａＮ電流狭窄層３８２を薄く形成できる。また、ドライエッチング／再成長界面を電流が流れないため、界面でのリークの問題がない。
【０２３３】
上述したように本実施形態によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の選択エッチングを実現できる。さらに、エッチング量を精度よくモニタできるため、クラッド層にリッジ部を形成する工程において精度よくエッチング量を制御できる。これにより、電流狭窄層と活性層の距離を設計通りの値にできるので、閾値電流密度の低減と共に、基本横モードでの連続発振を実現する半導体レーザを製造することができる。
【０２３４】
（第２０の実施形態）
図４２〜図４３は本発明の第２０の実施形態に係る半導体レーザの製造工程図である。
【０２３５】
本実施形態は、次の２つの点で第１９の実施形態とは異なる。１点目は、図４２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３７９に代えて、ドライエッチングにより、リッジとその両側の平坦部をもつｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９０が形成されている。２点目は、図４２（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９０からなるリッジがその側部に沿ってｎ型ＩｎＧａＮ電流狭窄層３８２により埋込まれたことである。
【０２３６】
この構造では、電流狭窄層３８２が、リッジの両側で活性層３７６に近接するため、ＩｎＧａＮ電流狭窄層３８２の吸収損失の影響により生じる水平方向の実効屈折率分布により光閉込めが行われる。このとき、リッジの両側のＧａＡｌＮの厚さは、電流狭窄層３８２と活性層３７６との距離に影響するため、レーザを安定に横モードで発振させる観点から厳密に制御されなければならない。
【０２３７】
そこで前述同様に、図４２（ａ）に示す積層工程の後、リッジの形成工程において、選択エッチング技術とレーザ干渉モニターとを組合わせて用いる。エッチングには、Ｃｌ2 ガスとＳＦ6 との混合ガスと、ＲＩＢＥ法とを用いる。エッチング条件は、Ｃｌ2 ガス圧力０．４ｍＴｏｒｒ、ＳＦ6 ガス圧力０．１５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速電圧５００Ｖである。
【０２３８】
ｐ型ＧａＮキャップ層３８０上にはマスクが形成され、ｐ型ＧａＮキャップ層３８０におけるマスク以外の領域からエッチングが施される。エッチングの進行はレーザ干渉モニタにより観察される。上記条件では、ＧａＮ／ＧａＡｌＮの選択比が１．２５程度であり、ＧａＡｌＮのエッチング速度が遅いため、ＧａＮとＧａＡｌＮとの界面において、レーザ干渉モニタにおけるレーザ光の反射強度の振動周期が変化する。反射強度の振動周期が１５０ｎｍに相当し、ＧａＮ／ＧａＡｌＮ界面が検出されてから、振動が１．３周期現れたとき、エッチングを停止した。その結果、図４２（ｂ）に示すように、リッジの両側のｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９０の厚さとして設計通りの１００ｎｍを残してエッチングを停止できた。
【０２３９】
このドライエッチング工程において、本実施形態とは異なり、選択エッチング技術を適用せず、Ｃｌ2 ガスのみを用いた場合、ＧａＮとＧａＡＩＮとはほぼ等速エッチングとなる。この等速エッチングでは、レーザ干渉モニタにおける振動周期のＧａＮ／ＧａＡｌＮ界面での変化が僅かであるため、界面の検出が不正確となる。このため、エッチング量のモニタの精度が不十分である。
【０２４０】
一方、本発明に係る製造方法では、選択エッチングを用いることにより、十分な精度でエッチング量を制御でき、本発明構造の半導体レーザの製造が可能となった。
【０２４１】
以上のようにリッジ形成の後、図４２（ｃ）に示すように、第２回目の成長でｎ型ＩｎＧａＮ電流狭窄層３８２が選択形成される。さらにＳｉＯ2 マスク除去の後、図４３（ｄ）に示すように、第３回目の成長でｐ型ＧａＮコンタクト層３８３が形成される。このｐ型ＧａＮコンタクト層３８３は、ドライエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層３８４が露出するまでエッチングされてメサが形成される。その後、図４３（ｅ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層３８３上にｐ側電極３８５が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層３８４上にｎ側電極３８４が形成され、半導体レーザが製造される。
【０２４２】
ここで、本実施形態では、電流狭窄層３８２としてｎ型ＩｎＧａＮ層を埋込む場合について説明したが電流狭窄層３８２の材料としては、ｎ型ＧａＡｌＮ層などの他の材料であっても良い。
【０２４３】
（第２１の実施形態）
図４４（ａ）〜図４４（ｄ）は本発明の第２１の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図である。本実施形態が第２０の実施形態と異なる点は、図４４（ｃ）に示すように、選択成長ではなくリッジ全体をｎ型ＩｎＧａＮ電流狭窄層３９１により埋込んだことである。
【０２４４】
このレーザ構造でも、図４４（ａ）に示す工程の後、図４４（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３９０をリッジとその両側の平坦部とを有する形状にする必要がある。ここで、リッジの両側のＧａＡｌＮの厚さは、電流狭窄層３９１と活性層３７６との距離に影響を与えるので、第２０の実施形態と同様に、レーザの安定な横モード発振の観点から厳密に制御される必要がある。
【０２４５】
本実施形態においても、第２０の実施形態と同じく本発明による選択エッチング技術とレーザ干渉モニタとを組合せて用いる。その結果、図４４（ｃ）に示す如き構造の半導体レーザを製造できる。
【０２４６】
（第２２の実施形態）
図４５は、本発明の第２２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０２４７】
図中４００はｎ型ＳｉＣ基板であり、この基板４００の上にｎ型ＺｎＯ層４０１，ｎ型ＧａＮ層４０２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層４０３，ＧａＮ導波層４０４，Ｉｎj Ｇａ1-j Ｎからなる第１の活性層４０５，及びＧａＮ導波層４０６が順次形成され、更に第１の領域Ａを除く第２の領域Ｂには、Ｉｎk Ｇａ1-k Ｎからなる第２の活性層４０７及びＧａＮ導波層４０８が形成されている。そして、第１の領域Ａ及び第２の領域Ｂにおいて、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層４１１ａ及びｂ，ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層４１２ａ及びｂ，ｐ型ＧａＮコンタクト層４１３ａ及びｂが形成されている。なお、これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、或いは両者の組合せによって行われる。また、４１４ａ及びｂはｐ側電極、４１５はｎ側電極である。
【０２４８】
ここで、第１の活性層４０５のバンドギャップＥｇ1 ，厚さｄ１と、第２の活性層４０７のバンドギャップＥｇ2 ，厚さｄ２とは、
Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2         …（１６）
ｄ１＞ｄ２            …（１７）
となるように設定されている。具体的には、第１の活性層４０５のＩｎ組成ｊ＝０．０５，厚さ１００ｎｍ、第２の活性層４０７のＩｎ組成ｋ＝０．１５，厚さ１０ｎｍとした。これは、発振波長でλ１＝３８０ｎｍ，λ２＝４１０ｎｍに相当する。
【０２４９】
このレーザ構造の第１の領域Ａでは、活性層が第１の活性層４０５のみであるため、この活性層４０５の波長３８０ｎｍで発振する。一方、第２の領域Ｂでは第１の活性層４０５と第２の活性層４０７とが存在するが、第２の活性層４０７のバンドギャップの方が小さいため、誘導放出再結合は第２の活性層４０７で起こる。従って、この領域では４１０ｎｍで発振することになる。
【０２５０】
第１の領域Ａの活性層４０５は１００ｎｍと比較的厚いため、自励発振しやすい構造となっており、戻り光雑音の少ない特性が得られる。一方、第２の領域Ｂでは１０ｎｍと薄い活性層４０７のため、光パワー密度を低減でき、高出力での発振が可能である。従って、この構造のレーザは、光ディスク応用において第１の領域Ａのレーザを読出し用、第２の領域Ｂのレーザを記録用として用いることができる。
【０２５１】
しかも本実施形態では、リッジを形成するクラッド層４１１の側面に活性層４０５，４０７よりもバンドギャップエネルギーの小さい光閉込め層４１２を埋込み形成しているので、各々の領域Ａ，Ｂにおいてレーザの発振しきい電流密度が低減され、かつ基本横モードでの連続発振が可能となる。
【０２５２】
図４５に示した半導体レーザの製造工程を図４６〜図４７を参照して説明する。まず、図４６（ａ）に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板４００の上に、ｎ型ＺｎＯ層４０１，ｎ型ＧａＮ層４０２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層４０３，ＧａＮ導波層４０４，Ｉｎj Ｇａ1-j Ｎ活性層（第１活性層）４０５，ＧａＮ導波層４０６，Ｉｎk Ｇａ1-k Ｎ活性層（第２活性層）４０７，ＧａＮ導波層４０８を順次成長する。
【０２５３】
次いで、図４６（ｂ）に示すように、第１の領域Ａにおける導波層４０８と活性層４０７をエッチングで除去する。このとき、活性層４０５は導波層４０６で保護されているので、最終構造で界面再結合による非発光成分の増加は防止できる。
【０２５４】
次いで、図４６（ｃ）に示すように、全面にｐ型ＧａＡｌＮクラッド層４１１を成長し、その上にＳｉＯ2 膜４２１をスパッタ法等で形成する。
【０２５５】
次いで、図４７（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 膜４２１のパターニングを行って、これをマスクとして領域Ａ及びＢにそれぞれリッジを形成する。
【０２５６】
次いで、図４７（ｅ）に示すように、ＳｉＯ2 マスクをつけたまま、選択成長によって電流狭窄を兼ねた光閉込め層４１２を成長する。
【０２５７】
次いで、図４７（ｆ）に示すように、ＳｉＯ2 マスクを除去した後、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１３を成長し、ｐ側電極４１４、ｎ側電極４１５を形成する。最後に、領域Ａと領域Ｂとの間にドライエッチングで溝を形成して素子分離を行うことによって、前記図４５に示した構造が完成する。
【０２５８】
上述したように本実施形態によれば、厚膜活性層の低出力レーザと薄膜活性層の高出力レーザとを同一基板上に形成しているため、活性層厚制御等の難しいプロセスを要することなく、光ディスクシステムにおける再生読出しと消去・記録の両方に要求されるレーザ性能を実現することができる。また、異なる波長のレーザを同一基板上に形成できるため、波長の違いによる非互換性の問題を解決できる。
【０２５９】
（第２３の実施形態）
図４８は、本発明の第２３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。なお、図１９と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【０２６０】
本実施形態の構造及び製造方法は第２２の実施形態の場合とほぼ同様であるが、第２２の実施形態と異なる点は、第１の活性層４０５に代えて膜厚ｄ１の第１の活性層４２５を有し、且つ第２の活性層４０７に代えて、第１の活性層の膜厚よりも大きい膜厚ｄ２をもつ第２の活性層４２７を備えたことである。
【０２６１】
すなわち、第１の活性層４２５の膜厚ｄ１と第２の活性層４２７の膜厚ｄ２との関係を、
ｄ１＜ｄ２              …（１８）
としたことである。即ち、ｄ１＝１０ｎｍ，ｄ２＝１００ｎｍとした。また、第２の領域Ｂにｐ型ＩｎＧａＮ吸収層４２８を設けた。この吸収層４２８は可飽和吸収体として働き、自励発振がより容易に起こる構造としてある。この構造の場合には、光ディスク応用において第１の領域Ａのレーザを記録用、第２の領域Ｂのレーザを読出し用として用いることになる。
【０２６２】
（第２４の実施形態）
図４９は、本発明の第２４の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０２６３】
図中４３０はサファイア基板であり、この基板４３０の上にＧａＮバッファ層４３１，ｎ型ＧａＮコンタクト層４３２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層４３３，ｎ型ＧａＮ導波層４３４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる第１の活性層４３５，アンドープＧａＮ導波層４３６，ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる第２の活性層４３７，ｐ型ＧａＮ導波層４３８，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層４３９，ｐ型ＧａＮキャップ層４４０，ｐ型ＩｎＧａＮ光閉込め層４４１，ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層４４２が形成されている。また、図中の４４３及び４４４はｐ電極、４４５はｎ側電極である。
【０２６４】
ここで、第１の多重量子井戸活性層４３５のバンドギャップＥｇ1 と第２の多重量子井戸活性層４３７のバンドギャップＥｇ2 とは
Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 
となるように設定されている。具体的には、第１の多重量子井戸活性層の井戸層のＩｎ組成を０．１５とし、第２の多重量子井戸活性層のＩｎ組成を０．８とした。それぞれの発振波長は青色及び赤色に相当する。第２の多重量子井戸活性層のＩｎ組成は通常のＧａＮレーザに比べて大きいが、むしろＩｎＮに近い組成であるために結晶としては高品質のものが得られる。
【０２６５】
このように青色及び赤色のレーザが集積されている構造が実現できるため、光ディスク応用において極めて有用である。即ち、高密度化に伴って異なる波長のレーザを用いるシステムの場合に、本実施形態のようなレーザを用いることにより、従来のシステムとの互換性が容易に実現されることになる。
【０２６６】
図５０は、図４９に示した実施形態のレーザにおける電極の配置例を示したものである。この例のようにｎ電極側は共通にできるため、例えばボンディングワイヤは３つで良い。
【０２６７】
（第２５の実施形態）
図５１は、本発明の第２５の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０２６８】
図中４５０はサファイア基板であり、この基板４５０の上にＧａＮバッファ層４５１，ｎ型ＧａＮコンタクト層４５２，ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層４５３，ｎ型ＧａＮ導波層４５４，ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる第１の活性層４５５，アンドープＧａＮ導波層４５６，ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる第２の活性層４５７，ｐ型ＧａＮ導波層４５８，ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層４５９，ｐ型ＧａＮキャップ層４６０，ｐ+ 型ＧａＮコンタクト層４６１，ｎ型ＩｎＧａＮ光閉込め層４６２，ｐ+ 型ＧａＮコンタクト層４６３が形成されている。また、図中の４６４及び４６５はｐ側電極、４６６はｎ側電極である。
【０２６９】
第１の多重量子井戸活性層４５５のバンドギャップＥｇ１1 と第２多重量子井戸活性層４５７のバンドギャップＥｇ2 とは
Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 
となるように設定されている。これにより左側のレーザではＥｇ2 のバンドギャップに相当する波長で、また右側のレーザではＥｇ1 のバンドギャップに相当する波長で発振する。
【０２７０】
（第２６の実施形態）
図５２は、本発明の第２６の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０２７１】
レーザの基本層構造は前記図２８に示したものと同じであるので、その詳しい説明は省略する。この実施形態においても、第１の多重量子井戸活性層１９６のバンドギャップＥｇ1 と第２の多重量子井戸活性層４７０のバントギャップＥｇ2 との関係を上述のように設定することによって、それぞれ異なる波長での発振が可能である。
【０２７２】
（第２７の実施形態）
図５３は、本発明の第２７の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０２７３】
この実施形態における半導体レーザの基本構造は図５１に示した例と同様であるので、その詳しい説明は省略する。この実施形態では、接合面ダウンのマウント例を示してある。
【０２７４】
図中の４８０はヒートシンクである。ヒートシンク４８０としては、Ｃｕなどの他、ＢＮやダイヤモンド等、熱伝導率の高い材料を用いると効果的である。このヒートシンク４８０には図に示したような段差を設けてあり、その上にメタライズによる金属層（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層）４８１〜４８４が形成されている。また、４９０は電極間を分離するための分離溝である。各メタライズ層と半導体レーザの電極とは、ＡｕＳｎ等の半田材４８５〜４８９により圧着されている。
【０２７５】
本実施形態のように接合面ダウンのマウントとすることにより、素子の熱抵抗が低減され、より高温での発振が可能となる。
【０２７６】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【０２７７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基本横モードで連続発振することができ、光ディスクシステム等の光源に適した非点収差のない良質の出射ビームを得ることのできるＩｎＧａＡｌＢＮ系の半導体レーザ及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２】ストライプ内外の等価屈折率差Δｎeq、基本モードに対する損失α0 ，損失差Δαに関し、光閉込め層−コア領域間の距離ｈout に対する依存性を示す図。
【図３】しきい値電流密度Ｊth、損失α0 ，損失差Δαに関し、ストライプ幅Ｗに対する依存性を示す図。
【図４】ストライプ内外の等価屈折率差Δｎeqおよびビームの非点隔差と、光閉込め層の組成との関係を示す図。
【図５】各導波型における非点隔差および損失差Δαに関し、ストライプ幅に対する依存性を示す図。
【図６】活性層総厚ｄ、クラッド層厚Ｈclad並びにクラッド層−活性層のＡｌ組成差ＸA1と、導波モード損失αとの関係を示す図。
【図７】ＳＣＨ−ＭＱＷ構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Ｈguide と、導波モードとの関係を示す図。
【図８】しきい値電流密度Ｊth、光閉込め係数Γに関し、クラッド層厚clad並びに導波層厚Ｈguide との関係を示す図。
【図９】遠視野像強度分布のクラッド層厚依存性を示す図。
【図１０】ＳＣＨ−ＭＱＷ構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Ｈguide と、導波モードの境界線との関係を示す図。
【図１１】ＳＣＨ−ＭＱＷ構造におけるクラッド層厚clad並びに導波層厚Ｈguide と、導波モードの境界線との関係を示す図。
【図１２】単位井戸層厚当りのしきい値電流密度Ｊth／ｄact に関し、光閉込め量Δｘ・（Ｈcore／λ）・（Ｈclad／λ）に対する依存性を示す図。
【図１３】同実施形態における半導体レーザの層構造の設計例を示す図。
【図１４】本発明によるしきい値低減効果を説明するための模式図。
【図１５】オーバーフロー防止層を設けない場合のバンド構造及び電子と正孔の分布を示す図。
【図１６】オーバーフロー防止層を設けた場合のバンド構造及び電子と正孔の分布を示す図。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図１９】本発明の第４の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２０】ヘテロ障壁による電流阻止効果の原理を示す図。
【図２１】ｐ−ＧａＡｌＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ界面を持つ構成における電流密度−電圧特性を示す図。
【図２２】ｎ−ＧａＡｌＮ／ｎ−ＩｎＧａＮ界面を持つ構成における電流密度−電圧特性を示す図。
【図２３】本発明の第５の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２４】本発明の第６の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２５】本発明の第７の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２６】本発明の第８の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２７】本発明の第９の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２８】本発明の第１０の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図２９】本発明の第１１の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３０】本発明の第１２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３１】本発明の第１３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す斜視図。
【図３２】本発明の第１４の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３３】本発明の第１５の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３４】本発明の第１６の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３５】本発明の第１７の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３６】同実施形態におけるエッチング方法を説明するための模式図。
【図３７】同実施形態におけるエッチング方法を説明するための模式図。
【図３８】本発明の第１８の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図３９】本発明の第１９の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図４０】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図４１】同実施形態における選択比とガス組成との関係を示す図。
【図４２】本発明の第２０の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図４３】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図４４】本発明の第２１の実施形態に係わる半導体レーザの製造工程図。
【図４５】本発明の第２２の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図４６】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図４７】同実施形態における半導体レーザの製造工程図。
【図４８】本発明の第２３の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図４９】本発明の第２４の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図５０】図４９に示した実施形態のレーザにおける電極の配置例を示す図。
【図５１】本発明の第２５の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図５２】本発明の第２６の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【図５３】本発明の第２７の実施形態に係わる半導体レーザの構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０，３０，７０，９０，１１０，１３０，１５０，１７０，１９０，２１０，２３０，２６０，２８０，３００，３２０，３４４，３５０，３７０，４３０，４５０…サファイア基板
１１，３１，５２，７１，９１，１１１，１３１，１５１，１７１，１９１，２１１，２３１，２６１，２８１，３０１，３２１，３５１，３７１，４０２，４３１，４５１…ＧａＮバッファ層
１２，３２，７２，１１２，１３２，１５２，１７２，１９２，２１２，２３２，２６２，２８２，３０２，３２２，３５２，３７２，４３２，４５２…ｎ型ＧａＮコンタクト層
１３，３３，５３，７３，９７，１１３，１３３，１５３，１７３，１９４，２１８，２３３，２６３，２８３，３０３，３２３，３５３，３７３，４０３，４３３，４５３…ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層
１４，３４，５４，７４，９６，１１４，１３４，１５４，１７４，１９５，２１７，２３４，２６４，２８４，３０４，３２４，３５４，３７４，４０４，４３４，４５４…ｎ型ＧａＮ導波層
１５，３５，５５，３７５…ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層
１６，５６，７５，９５，１１５，１３５，１５５，１７５，１９６，２１６，２３５，２６５，２８５，３０５，３２５，３５５，３７６，４３５，４３７，４５５，４５７…ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１７，３７，５７，３７７…ｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層
１８，３８，５８，７６，９４，１１６，１３６，１５６，１７６，１９７，２１５，２３６，２６６，２８６，３０６，３２６，３５６，３７８，４３８，４５８…ｐ型ＧａＮ導波層
１９，３９，５９，７７，９３，１１７，１３７，１３８，１５７，１５８，１５９，１７７，１７８，１７９，１９８，２１４，２３７，２６７，２８７，３０９，３２７，３２８，３５７，３５８，３７９，３９０，４１１ａ，４３９，４５９…ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層
２０，４０，６０，７９，９９，１２０，１４１，１６１，１８１，１９３，２１３，２１３，２４０，２６９，２８９，３１０，３２９，４１２ａ，４４１，４６２…光閉込め層
２１，４１，６１，７８，９２，１１８，１３９，１６０，１８０，１９９，２５０，２５１，２６８，２７０，２８８，３０８，３５９，３６０，３８０，３８３，４１３ａ，４１３ｂ，４４０，４６０，４６１，４６２…ｐ型ＧａＮ層
２２，４３，６２，８０，１０１，１２１，１４２，１８３，２０１，２２１，２４２，２７１，２９２，３１２，３６１，３６２，３８５，４１４ａ，４１４ｂ，４４３，４４４，４６４，４６５…ｐ側電極
２３，４４，６３，８１，１００，１２２，１４３，１８４，２０２，２２２，２４３，２７２，２９３，３１３，３８４，４１５，４４５，４６６…ｎ側電極
３６…ＧａＮ単一量子井戸（ＳＱＷ）活性層
４２，１１９，１４０，２００，２２０，２３９，２４１，３０７…ｐ型ＩｎＧａＮ層
５０，４００…ｎ型ＳｉＣ基板
５１，４０１…ｎ型ＺｎＯバッファ層
９８，２１９…ｎ型ＧａＮ層
３４０…反応容器
３４１…金属電極
３４２…スターラー
３４３…ＮａＯＨ溶液
３４５…直流電源
３８１…無機マスク層
３８２，３９１…電流狭窄層
４０５，４０７，４２５，４２７…活性層
４０６，４０８，４３６…ＧａＮ導波層
４２１…ＳｉＯ2 膜
４２８…吸収層
４８０…ヒートシンク
４８１〜４８４…金属層
４８５〜４８９…半田材
４９０…分離溝
Ｅｇ1 ，Ｅｇ2 …バンドギャップ
ｄ１，ｄ２…厚さ
【図１】
0003742203.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0003742203.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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