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JP2008028375A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子 Download PDF

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JP2008028375A JP2007152780A JP2007152780A JP2008028375A JP 2008028375 A JP2008028375 A JP 2008028375A JP 2007152780 A JP2007152780 A JP 2007152780A JP 2007152780 A JP2007152780 A JP 2007152780A JP 2008028375 A JP2008028375 A JP 2008028375A
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真吾 枡井
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Abstract

【課題】回折格子とその上に形成された半導体層の間に空洞が形成されることなく、その上面が平坦になるように再成長させることができる窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に、第１半導体層、活性層及び第２半導体層を順に積層した窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、前記第１半導体層及び／又は第２半導体層内には凹凸が形成されており、該凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、該凹凸が形成された半導体層が、下方向に延びる第１領域と、該第１領域から連続してさらに下方向に延びる第２領域とを有する側面を備え、該第２領域は前記第１領域よりも基板の法線方向に対する傾斜が大きい窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関し、より詳細には、回折格子を利用した窒化物半導体レーザ素子に関する。
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、紫外域から赤色に至るまで、幅広い波長域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生録画が可能な光ディスクシステムへの利用にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源等として期待されている。
一般に半導体レーザ素子は、活性層で決まるエネルギーギャップを中心にある幅を有しているため、発光波長もそれに依存し、光増幅の得られる利得も広くなる。そのため共振器長に依存した複数の縦モードが存在する。このモード分布の広さに加え、この分布は出力やレーザ素子の駆動温度に応じて大きく変化しながら長波長側に移動する傾向があるため、例えば、長距離間で光通信を行うときには、モードごとに伝達速度に差が生じ、分散することとなる。
このようなことなどから、特に光通信等の用途に使用するためには縦シングルモードの単一周波数のレーザが必要とされており、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザが、明確な縦シングルモードを得るために提案されている（例えば、特許文献１〜５）。
このようなＤＦＢレーザでは、ダブルヘテロ構造中の活性層に平行して周期的に光を反射させる回折格子層が設けられており、活性層内で発生した光が、この回折格子の周期的な間隔によって周期的に反射され、元の光と反射光の山と山谷と谷とが合致し、強め合って単一周波数のレーザ光出力を得ることができると考えられている。
特開平８−１９５５３０号公報 特開平９−１９１１５３号公報 特開２０００−２２３７８４号公報 特開２００１−２０３４２２号公報 特開２００２−１３１５６７号公報
しかし、従来提案されているＤＦＢレーザでは、未だ回折格子の十分な効果を引き出すに至っていない。
回折格子の効果を十分に引き出すためには、半導体層に回折格子を形成する際に、特に幅方向において凹凸加工を精度よく行う必要がある。しかし、窒化ガリウム系の半導体材料では高精度でエッチングすることが難しく、活性層で発生した光を周期的に反射させるような回折格子とすることが困難であった。また、ＤＦＢレーザにおいてシングルスペクトルピークを得るためには、回折格子における屈折率差をより効率的に設けることが必要となる。そのために、回折格子の凹凸深さを深くすることにより屈折率差を得ることができると考えられるが、凹凸の深さについても高精度での加工が困難であり、効果的な回折格子を形成するには量産性や再現性の問題がある。
また、このような凹凸加工を行うことができるとしても、この回折格子の上に、さらに半導体を再成長させる場合には、凹凸と再成長させた半導体層との間に空洞が形成されてしまうことがある。回折格子とその上に再成長させた半導体層との間に意図しない空洞が発生すると、それにより屈折率が変わってしまい、光が周期的に反射されず回折格子の効果を得ることが困難となる。また、凹凸と再成長させた半導体層との間に空洞が形成されるとレーザ素子を駆動させた際に電圧が高くなり、ｐ側に回折格子を設ける場合はこの傾向が顕著であるためレーザ素子の性能の点で問題となりやすい。
また、再成長させた半導体層表面に凹凸が生じ、平坦に埋めることができなかったり、若しくは凹凸と凹凸を埋める半導体層の界面から転位が発生したりして、レーザ素子自体の性能を確保することができるような凹凸を埋める半導体層を形成することが困難であるという課題もある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回折格子とその上に形成された半導体層の間に空洞が形成されることなく、その上面が平坦になるように再成長させることができる窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に、第１半導体層、活性層及び第２半導体層を順に積層した窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、前記第１半導体層及び／又は第２半導体層内には凹凸が形成されており、該凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、該凹凸が形成された半導体層が、下方向に延びる第１領域と、該第１領域から連続してさらに下方向に延びる第２領域とを有する側面を備え、該第２領域は前記第１領域よりも基板の法線方向に対する傾斜が大きいことを特徴とする。
この窒化物半導体レーザ素子においては、第２領域は、前記凹凸の高さの１／２〜１／１０の範囲に形成されるか、傾斜角度が、基板の法線方向に対して２０°〜７０°の範囲であることが好ましい。
また、凹凸における凸部の幅及び凹部の幅は、凹凸の高さの１／１５〜８の範囲であることが好ましい。
さらに、凹凸はストライプ状に形成され、凹凸の幅は、４０〜４００ｎｍの範囲のピッチを有することが好ましい。
第１領域は、基板の法線方向に対して−３０°〜３０°の範囲の傾斜を有することが好ましい。
隣接する凸部は、第２領域同士が連続して凹部底部を構成するか、隣接する凸部の第２領域間に凹部の底面を有することが好ましい。
また、第２領域は、傾斜角度の異なる複数の傾斜面から構成されていてもよい。
さらに、凸部は上面を有し、上面と第１領域の間に傾斜面を有していてもよい。
また、前記凹凸を埋める半導体層の表面は略平坦に形成されていることが好ましい。
凸部上面と第１領域とは略垂直であってもよい。
凹凸が形成された半導体層は、ＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦０．２０）からなる層であることが好ましい。
さらに、凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、該凹凸を埋める半導体層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．５０）からなる層であるか、あるいは、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．１０）からなる第１層と、ＡｌbＧａ1-bＮ（０．０５≦ｂ≦０．１４）からなる第２層とで構成される超格子層を含むことが好ましい。
また、窒化物半導体レーザ素子は、共振面を有し、凹凸は共振面と略平行にストライプ状に設けらていることが好ましい。
さらに、前記凹凸は、第１半導体層内に形成され、前記凹凸の凸部上面から活性層までの距離が凹凸高さの３倍以下であるか、第１半導体層内にストライプ状に形成され、該凹凸を構成する凸部上面から活性層までの距離が凹凸のピッチ幅の３倍以下であることが好ましい。
本発明の窒化物半導体レーザ素子によれば、凹凸を形成した層の凹部に斜面を有するため、回折格子とその上に形成された半導体層の間に空洞が形成されることがなく、その上面が平坦になるように半導体層を再成長させることができる。また、凹凸を埋める半導体層を形成する際に発生する、この凹凸に起因する異常成長のない回折格子を有する窒化物半導体レーザを提供することができる。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、主として、基板と、第１半導体層、活性層及び第２半導体層をこの順に積層した窒化物半導体層とを備えて構成される。例えば、典型的には図１に示すようなレーザ素子が挙げられる。さらに、第１半導体層及び第２半導体層は、それぞれ電気的に接続された第１電極及び第２電極を備える。ここで、第１半導体層は、ｎ型又はｐ型の不純物を含む層を少なくとも１層含んで構成される。第２半導体層は、第１半導体層とは逆の導電型、つまり、ｐ型又はｎ型の不純物を含む層を少なくとも１層含んで構成される。第１及び第２半導体層は、いずれも、単一層又は多層構造のいずれであってもよく、多層構造の場合には、それらを構成する層の全てがｎ型又はｐ型を示さなくてもよい。なお、以下の記載においては、活性層からｎ型層側に配置する層をｎ型層又はｎ側層、活性層からｐ型層側に配置する層をｐ型層またはｐ側層と記載する場合がある。
（基板）
本発明の窒化物半導体レーザ素子に用いる基板は、窒化物半導体と異なる異種基板を用いてもよいし、窒化物半導体基板を用いてもよい。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で、従来から知られている基板材料を用いることができる。なかでも、サファイア、スピネルが挙げられる。基板は、その表面が、０．０１〜０．３°程度のオフアングル角、さらにステップ状のオフアングル角を有しているものであってもよい。これにより、素子を構成する窒化物半導体層、活性層の内部において、微細なクラックの発生を防止することができる。
異種基板を用いる場合には、下地層（ラテラル成長を行うための保護層等を含む）、コンタクト層等が形成される場合があるが、窒化物半導体基板（例えば、ＧａＮ基板など）を用いる場合には、必ずしもそれらを形成する必要はなく、省略することができる。
異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造の下層に、窒化物半導体層からなる下地層等を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよい。また、素子構造形成中又は後に、異種基板を除去してもよい。
（下地層）
基板上には、バッファ層等（図示せず）を含む、窒化物半導体からなる下地層が形成されていてもよい。
バッファ層としては、例えば、ＩｎαＡｌβＧａ1-α-βＮ（０≦α、０≦β、α＋β≦１）等（例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等、好ましくはＧａＮ）を３００℃以上９００℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームで成長させてなるものが挙げられる。このバッファ層は、異種基板と高温成長の窒化物半導体層との格子定数差を緩和し、転位の発生を防止するのに好ましい。
バッファ層の上に、第１の窒化物半導体層を部分的に成長させ、さらに、この第１の窒化物半導体層を成長核として第２の窒化物半導体層を成長させることにより、ラテラル成長を利用した転位が低減した下地層を形成することができる。下地層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体であることが好ましく、膜厚は２〜３０μｍであることが好ましい。また、ラテラル成長した領域（低転位領域）は、転位数が１×１０7個／ｃｍ2以下、好ましくは１×１０6個／ｃｍ2以下と少ないか、部分的に少ない領域を有しているものが適当である。さらに、この下地層は、例えば、１×１０16〜５×１０21ｃｍ-3程度の範囲でｎ型不純物（例えば、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃ、Ｔｉ、Ｏ等）が含有されていてもよい。
（半導体層）
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、第１及び第２半導体層としては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎαＡｌβＧａ1-α-βＮ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）であり、さらにＩＩＩ族元素としてＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換した、混晶を含んでいてもよい。半導体層は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、当該分野で公知のいずれの方法によっても形成することができる。
窒化物半導体層に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等のＩＶ族又はＶＩ族元素を用いることができ、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎである。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇである。これにより、各導電型の窒化物半導体層を形成し、後述する各導電型層を構成させることができる。
例えば、バッファ層及び／又は下地層の上には第１の半導体層が多層構造で形成されている。
第１のｎ側半導体層は、ＡｌdＧａ1-dＮ（０≦ｄ≦０．５）により形成することができる。この第１のｎ側半導体層にはｎ型不純物がドープされている。この層のｎ型不純物の含有量は、５×１０17／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3であることが好ましい。第１のｎ側半導体層の膜厚は、０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍである。この第１のｎ側半導体層はｎ型コンタクト層やｎ型クラッド層として機能させることができる。第１のｎ側半導体層をｎ型コンタクト層として機能させる場合には後工程において、この第１のｎ側半導体層にｎ電極が形成される。なお、第１のｎ側半導体層は、省略可能である。
第１のｎ側半導体層上には第２のｎ側半導体層が形成されている。この第２のｎ側半導体層は、ＳｉドープのＩｎgＧａ1-gＮ（０．０２≦ｇ≦０．２０）、好ましくはｇが０．０８〜０．１２のＩｎgＧａ1-gＮである。この第２のｎ側半導体層は、窒化物半導体素子内でクラックの発生を有効に防止することができる。Ｓｉのドープ量としては、５×１０17／ｃｍ3〜５×１０19／ｃｍ3である。第２のｎ側半導体層の膜厚としては、結晶性を損なわない程度の厚みであり、例えば、０．１０〜０．２０μｍである。なお、第２のｎ側半導体層は、省略可能である。
第２のｎ側半導体層上には第３のｎ側半導体層が形成されている。第３のｎ側半導体層は、単一層で形成してもよく、また超格子層で形成してもよい。第３のｎ側半導体層を超格子層として形成するには、第１層としてＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．１０）、第２層としてＡｌbＧａ1-bＮ（０．０１≦ｂ≦０．１４）からなる層構成とすることが好ましい。第１層及び第２層は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下の層を積層することにより構成することができる。このような超格子層とすることにより、Ａｌを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。なお、第３のｎ側半導体層の総膜厚としては、０．４５〜３．０μｍであることが好ましい。また、平均組成がＡｌeＧａ1-eＮ（０．０１≦ｅ≦０．１４）として形成されることが好ましい。Ａｌの平均組成がこの範囲であると、クラックを抑制でき、かつ充分にレーザ導波路との屈折率の差を得ることができる。ｎ型不純物の含有量は、１×１０17／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3であることが好ましい。ｎ型不純物がこの範囲で含有されていると抵抗率を低くでき、かつ結晶性を損なわない。第３のｎ側半導体層はｎ側クラッド層として機能させることができる。
第３のｎ側半導体層上には第４のｎ側半導体層が形成されている。第４のｎ側半導体層としては、ＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦０．０７５）が挙げられる。第４のｎ側半導体層の膜厚は、０．０５〜０．２５μｍ、好ましくは０．１４〜０．１６μｍが挙げられる。この膜厚で成長させるとクラックが発生せずに、閾値（Ｉth）が低下させることができる。第４のｎ側半導体層は光ガイド層として機能させることができる。なお、第４のｎ側半導体層は、省略可能である。
第４のｎ側半導体層上には活性層が形成されている。活性層としては、井戸層と障壁層とにより構成され、井戸層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦０．０５、０．００５≦ｙ≦０．２５、ｘ＋ｙ＜１）からなることが好ましい。障壁層はＡｌuＩｎvＧａ1-u―vＮ（０≦ｕ≦０．２、０≦ｖ≦０．１５）からなることが好ましい。例えば、井戸層を挟むように障壁層が積層されるものであり、障壁層及び井戸層は１層に限定されるものではなく２以上の多層であってもよい。具体的には、障壁層と井戸層とを繰り返し積層した、多重量子井戸構造の活性層としてもよい。井戸層及び障壁層の膜厚としては、それぞれ、５０〜１５０オングストロームが好ましい。第１の障壁層の膜厚は３０〜２５０オングストローム、第２の障壁層の膜厚は３０〜２５０オングストロームが好ましい。活性層をこの範囲の膜厚で形成すれば、活性層付近でのクラックの発生を抑制することができる。
井戸層及び障壁層のいずれか一方または両方に不純物を含有させてもよい。
活性層上には第２の半導体層が多層構造で形成されている。
第１のｐ側半導体層は、キャリア閉じ込め層、電子閉じ込め層、光閉じ込め層等として形成することができる。
第１のｐ側半導体層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌを含む窒化物半導体層であることが好ましい。キャリア閉込め層は、単一膜で形成してよく、組成が異なる多層膜で形成してもよい。ｐ型キャリア閉込め層としては、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上を成長させてなるものが挙げられる。好ましくはｄが０．１〜０．５、さらに好ましくはｄが０．１５〜０．３５の範囲である。ｐ型キャリア閉込め層の膜厚は、１０〜２００オングストロームが好ましい。膜厚が上記範囲であると、活性層内の電子を良好に閉込めることができ、クラックの発生も抑制できる。またバルク抵抗も低く抑えることができる。
ｐ型電子閉込め層は、キャリアを活性層又は井戸層内に閉込めるもので、レーザ素子、高出力の発光素子などにおいて、素子駆動などによる温度上昇、電流密度増大によって、キャリアが活性層をオーバーフローすることを防ぐことが可能となり、活性層内にキャリアが効率的に注入される構造とすることができる。
ｐ型電子閉込め層は、通常、Ｍｇが含有されている。含有量は、１×１０19／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3である。含有量がこの範囲であると、バルク抵抗を低下させることに加えて、後述のアンドープで成長させるｐ型ガイド層へＭｇが良好に拡散され、薄膜層であるｐ型ガイド層にＭｇを１×１０16／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3の範囲で含有させることができる。ｐ型電子閉込め層は、低温、例えば９００〜１０００℃程度の活性層を成長させる温度と同様の温度で成長させると活性層の分解を防止することができ好ましい。
また、ｐ型電子閉込め層は、単一膜により構成されていてもよいし、低温成長の層と、高温、例えば、活性層の成長温度より１００℃程度の温度で成長させる層との２層から構成されていてもよい。このように、２層で構成されていると、低温成長の層が活性層の分解を防止し、高温成長の層がバルク抵抗を低下させるので、全体的に良好となる。ｐ型電子閉込め層が２層から構成される場合の各層の膜厚は、特に限定されないが、低温成長層は１０〜５０オングストローム、高温成長層は５０〜１５０オングストロームが好ましい。なお、第１のｐ側半導体層は、省略可能である。
第１のｐ側半導体層上には第２のｐ側半導体層が形成されている。第２のｐ側半導体層としては、ＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦０．２）からなる窒化物半導体層が挙げられる。ｐ型ガイド層の膜厚は、０．０５〜０．２５μｍが好ましい。この範囲であると、しきい値を低くすることができる。また、第２のｐ側半導体層はアンドープ層として成長させるが、ｐ型電子閉込め層に含有されているＭｇが拡散して、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3の範囲でＭｇが含有されることがある。第２のｐ側半導体層は光ガイド層として機能させることができる。なお、第２のｐ側半導体層は、省略可能である。
第２のｐ側半導体層上には第３のｐ側半導体層が形成されている。第３のｐ側半導体層は、単一膜構造であってもよいが、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造であることが好ましい。例えば、単一層構造の場合には、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．５０）からなる層が挙げられ、また、第１層としてＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．１０）、第２層としてＡｌbＧａ1-bＮ（０．０５≦ｂ≦０．１４）からなる超格子層であってもよい。ｐ型不純物の含有量は、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3であることが好ましい。ｐ型不純物がこの範囲で含有されていると結晶性を損なわない程度の含有量で、かつバルク抵抗を低減させることができる。
このような多層膜は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下であることが好ましい。第３のｐ側半導体層が超格子構造で形成されることにより、クラックの発生を抑制することができる。第３のｐ側半導体層の総膜厚は、０．４〜０．５５μｍであり、この範囲であると順方向電圧（Ｖｆ）を低減させることができる。また、第３のｐ側半導体層の全体のＡｌの平均組成は、０．０１〜０．１４である。この範囲の値であると、クラックの発生を抑制し、かつレーザ導波路との屈折率差を十分に得ることができる。この第３のｐ側半導体層は、活性層よりもバンドギャップが大きく、通常、ｐ側クラッド層として機能させるものであるが、同時にｐ側コンタクト層として機能させてもよい。これによって、後に形成する第４のｐ側半導体層を省略することができる。
第３のｐ側半導体層上には第４のｐ側半導体層が形成されている。第４のｐ側半導体層は、Ｍｇが含有されたＧａＮからなる窒化物半導体層を成長させてなるものが好ましい。膜厚は１０〜２００オングストローム程度が適当である。Ｍｇの含有量は１×１０19／ｃｍ3〜１×１０22／ｃｍ3である。このよう膜厚とＭｇの含有量を調整することにより、ｐ型コンタクト層のキャリア濃度を上昇させ、後述するｐ電極とのオーミックコンタクトが良好となる。なお、上述したように第４のｐ側半導体層は省略することができる。
（凹凸）
本発明における第１半導体層及び／又は第２半導体層内には、凹凸が周期的に設けられており、回折格子として機能させることができる。本明細書においては、半導体層内の凹凸を回折格子と呼ぶことがある。
回折格子の大きさは特に限定されず、得ようとするレーザ光の波長、用いる窒化物半導体層の組成等により適宜調整することができる。凹凸の周期（ピッチ）は、発振させたい波長と実効屈折率によって決定され、λ（波長）／２ｎ（半導体の屈折率）によって求めることができる。また、凹凸のピッチは、λ（波長）／２ｎ（半導体の実効屈折率）により求めた値の整数倍でもよい。例えば、凹凸幅のピッチ（凹凸の１周期）は、４０ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましく、さらに１次回折格子とする場合には、４０〜１４０ｎｍ程度の範囲であることが好ましい。具体的には、発振波長が４００ｎｍである窒化物半導体レーザ素子を形成する場合は、凹凸の周期を４００ｎｍ（波長）／[２×２．５（半導体の屈折率）]＝８０ｎｍで形成することができる。ピッチの幅がこのような範囲内であれば、凹凸を埋める半導体層を平坦化することができる。
なお、凸部と凹部との幅は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。また、別の観点から、凸部の幅及び凹部の幅は、後述する凸部の高さの１／１５〜８程度の範囲内であることが好ましい。
第１半導体層内に凹凸が形成される場合には、例えば、第３のｎ側半導体層（ｎ側クラッド層）に凹凸が形成され、第４のｎ側半導体層でこの凹凸を埋め込むことができる。あるいは、組成の異なる多層構造からなる第３のｎ側半導体層（ｎ側クラッド層）を設け、第３のｎ側半導体層（ｎ側クラッド層）の下層部分に凹凸を形成し、さらに第３のｎ側半導体層の上層で凹凸を埋め込んでもよい。
また、第２半導体層内に凹凸が形成される場合には、例えば、第２のｐ側半導体層（ｐ側ガイド層）に凹凸が形成され、その凹凸を第３のｐ側半導体層（ｐクラッド層）で埋め込むことが好ましい。また、別の観点から、凹凸は、活性層に近接して形成されていることが好ましく、例えば、凹凸における最も活性層に近い距離（図２中、Ｄ参照)が、２００ｎｍ程度以下、１００ｎｍ程度以下、５０ｎｍ程度以下、あるいは、凹凸の高さ程度以下に配置されるように形成されていることが好ましい。
凹凸の形状は特に限定されることなく、例えば、鋸歯状、正弦波状、矩形状、台形状、逆台形状等とすることができるが、矩形状、台形状、逆台形状等とすることが好ましい。つまり、下方に延びる第１領域として、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回折格子を構成する凸部の側面４２ａの一部が、基板の法線方向と一致する形状、基板の法線方向に対してα＝３０°（台形状、またはこれに近い、側面が膨張した形状）〜β＝−３０°（逆台形状、またはこれに近い、側面が窪んだ形状）の範囲の傾斜を有する形状であることが好ましい。この範囲内で、第１領域である側面が形成されることで、凹凸が形成された半導体層と凹凸を埋める半導体層との界面での異常成長を抑制することができる。なお、別の観点から、後述する凸部上面と第１領域とは略垂直に交差することが好ましい。
また、凹凸は、第１領域から連続してさらに下方に延びる第２領域とを有している。第２領域は、図２〜図４に示すように、回折格子を構成する凸部の側面４２の下方に配置し、第１領域よりも基板の法線方向に対する傾斜が大きい傾斜面４２を構成する。
例えば、図２に示すように、第２領域である傾斜面４３は、回折格子を構成する凹凸高さＨの１／２〜１／１０の範囲の長さＧにおいて、凸部の側面４２（例えば、基板の法線方向）から凹部底面に連続する傾斜（傾斜角度＝γ）を有している。この傾斜面４３は、凸部の両側面４２に形成されていてもよいが、一部の凸部の両側面４２において又は一部の凸部の片側面４２において、欠いていてもよい（図４（ｂ）参照）。また、凸部の側面が、図３(ａ)又は（ｂ）に示すように傾斜している場合には、図３に示すように、その傾斜と区別できる傾斜角度γ（基板の法線方向に対する角度）で傾斜していることが好ましい。なお、傾斜面４３は、全てが同じ傾斜及び長さＧで形成されておらず、一部側面又は全部の側面において、傾斜角度及び／又は長さＧが異なっていてもよい。
また、第２領域である傾斜面４３は、図５（ｂ）に示すように、傾斜角度の異なる複数の傾斜面から構成されていてもよい。具体的に、傾斜している長さＧは、例えば、５〜１５０ｎｍ程度が挙げられる。また、この傾斜角度γは、例えば、基板の法線方向に対して又は凹部側面に対して、２０〜７０°の範囲であることが好ましい。このように第２領域である回折格子の凹部の底部付近の側面が傾斜している場合には、回折格子上への半導体層の再成長時において、凹部内に空洞を形成することなく、凹部を完全に埋め込むことができる。その結果、回折格子の上に形成される半導体層の表面を平坦にすることができるとともに、レーザ素子における電圧の上昇、回折格子の乱れ等を防止することができる。
凹凸は、図２に示すように、隣接する凸部の第２領域間に、基板表面にほぼ水平な面である凹部の底面４４を有していてもよいが、図５(ａ）に示すように、隣接する凸部２４ａにおいて、第２領域である傾斜面４３同士が連続して、例えば、基板表面にほぼ水平な面を含まない底部４５を構成していてもよい。
さらに、凹凸は、図５（ｃ）に示すように、凸部の上面（例えば、基板表面にほぼ水平な面）を有し、その上面と第１領域の間に、さらに傾斜面（傾斜角度δ）を有していてもよい。この傾斜角度は特に限定されないが、例えば、２０°〜７０°程度が適当である。
本発明においては、側面と傾斜面との間、傾斜面と底面との間において必ずしも角度を有するようにそれぞれの面が形成される必要はなく、その角が丸みを帯びていてもよい。特に、凹凸のピッチが大きくなる（例えば２００ｎｍ以上）と、側面と傾斜面との間、傾斜面と底面との間において丸みを帯びる傾向にある。
回折格子の深さ（凸部の高さ）は、３００ｎｍ程度以下、好ましくは５０〜３００ｎｍ程度が挙げられる。
このような大きさ及び深さにすることにより、凹凸を埋める半導体層を平坦に、凹凸を引き継がないように、あるいは、レーザ発振に悪影響を与えないように形成することができる。
第１半導体層及び／又は第２半導体層内に凹凸を形成する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、凹凸を形成しようとする層を形成した後、二重レジスト法、密着マスク露光法、電子線描画法、位相シフト法等の当該分野で公知の方法を利用して、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によって、マスクパターンを形成し、そのマスクパターンをマスクとして用いるエッチングにより形成することができる。
この際のマスクパターンは、種々のレジスト、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の酸化膜や窒化膜、ニッケル、クロム等の金属膜の単一膜又は多層膜を用いて形成することができる。これらの膜厚は、例えば、１０〜５００ｎｍ程度で形成することが好ましい。これにより、回折格子の凸部の高さを所望の高さに形成することが可能となる。
特に、マスクパターンとして、低屈折率の部材、例えば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ、ＡｌＮ等を用いてパターニングする場合、マスクパターンを除去しないまま、凹凸を埋める層を成長させてもよい。これにより、凸部上面に、窒化物半導体よりも低屈折率の部材が配置されることになるが、この低屈折率の部材により、回折格子の効果をより向上させることができる。
マスクパターンを用いて半導体層をエッチングして凹凸を形成する場合のエッチングは、適当なエッチャントを用いたウェットエッチング又はドライエッチングのいずれでもよい。例えば、ドライエッチングを利用する場合には、０．０５〜１０Ｐａの範囲内の圧力（一定圧力又は適宜変更した圧力）でエッチングすることが好ましい。これにより、所望の深さのエッチングを効率的に行うことができる。
特に、凹部の底側面付近の側面を傾斜させる方法としては、回折格子を形成しようとする層に、上述したような単一膜又は多層膜のマスクを形成し、このマスクを用いて、例えば、０．０５〜１０Ｐａの範囲で、エッチング圧力を変更してドライエッチングする方法、エッチャントの種類又は組成を変更してウェットエッチングをする方法、又はドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせる方法等が有利である。また、回折格子を形成するためのマスク材料として、レジストとの選択性が低い材料を下層に、レジストとの選択性が高い材料を上層に用いた２層以上の構造のマスク材料を用い、このようなマスク材料に、レジストからの回折格子対応パターンを転写し、この２層以上の構造のマスクを用いて、回折格子をエッチング形成する方法等が有効である。
回折格子を構成する凸部上面には、この凹凸を埋める半導体層よりもＡｌ混晶比が高い領域が配置されているか、凹凸の凸部と凹凸を埋める半導体層との間に、凹凸が形成された半導体層及び／又は凹凸を埋める半導体層よりもＡｌ混晶比が高い領域が配置されていてもよい。具体的には、Ａｌを含有する窒化物半導体で構成され、好ましくはＡｌｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ≦１）からなるもの等が挙げられる。このＡｌ混晶比が高い領域は、凹凸を埋める層の一部として形成されていていることが好ましい。これにより、凹凸間での屈折率差が大きくなり回折格子の十分な効果が得られる。なお、その上に配置される（凹凸を埋める）半導体層が超格子層によって形成される場合には、超格子層の平均Ａｌ組成よりも高いことが好ましい。このＡｌ混晶比が高い領域の形状は特に限定されない。
例えば、図６のように回折格子の凸部上面の全部に配置されていてもよいし、１つの凸部内において部分的に又は一部の凸部において欠いていてもよいし、凸部側面にわたるオーバーハング形状であってもよい。図６のように回折格子の凸部上面の全部に配置されていることにより、より効果的に屈折率差を設けることができる。
Ａｌ混晶比が高い領域の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、５０ｎｍ程度以下、好ましくは１〜５０ｎｍ程度が挙げられる。Ａｌ混晶比が高い領域のＡｌ組成は、例えば、凹凸が形成された半導体層及び／又は凹凸を埋める半導体層よりも０．０１から０．２５程度高いことが適している。また、別の観点から、０．１から０．２５程度の範囲内に設定されていることが適している。なお、図６に示したように、Ａｌ混晶比が高い領域は、凸部の側面に形成されていてもよい。
このようなＡｌ混晶比が高い領域を形成する方法は、例えば、上述した回折格子を形成する前に、回折格子を形成しようとする半導体層上に、所定の膜厚で、Ａｌの組成比が高い半導体層を積層し、この上から上述したマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして、Ａｌの組成比が高い半導体層をエッチングし、さらに回折格子を形成しようとする半導体層に回折格子をエッチング形成する方法が挙げられる。
上述したマスクパターンを用いてＡｌの組成比が高い半導体層をパターニングした後、マスクパターンを除去し、Ａｌの組成比が高い半導体層をマスクとして用いて、回折格子をエッチングして形成してもよい。
さらに、回折格子を形成した後、Ａｌ組成が高い半導体層を、圧力、温度、原料ガス等を適宜調整しながら積層することにより、凸部の上面にＡｌの組成比が高い領域を形成することができる。
回折格子を形成した後、Ａｌ組成が異なる２種類以上の半導体層を、圧力、温度、原料ガスの種類及び流量等の条件を適宜調整しながら超格子構造として積層することにより形成することができる。さらに、超格子構造の各層を形成する際に、５秒間程度の待機時間を設けて成膜してもよいし、窒素原子を含む原料ガス流量／III族元素を含む原料ガス流量の比を２０００程度以上に設定して半導体層を形成してもよいし、Ａｌ組成が高い半導体層を形成する際に圧力を常圧にして成膜してもよいし、これらを組み合わせて用いてもよい。
回折格子を構成する凸部は、その側面の一部に、凸部上に形成される窒化物半導体層よりもＡｌ比が高い領域が配置されていることが好ましい。凸部側面に形成されるＡｌ比が高い領域は、凸部上面に形成されるＡｌ比が高い領域と同程度のＡｌ組成であることが適しているが、必ずしも凸部上面に形成されるＡｌ比が高い領域と同じＡｌ組成でなくてもよい。また、凸部側面におけるＡｌ比が高い領域の膜厚及び長さは特に限定されず、例えば、それぞれ５０ｎｍ程度以下及び２００ｎｍ程度以下が挙げられる。なお、凸部側面に形成されるＡｌ比が高い領域は、側面全面を覆わず、凹部底面には接触していないことが適している。
本発明においては、第１半導体層に凹凸を形成する場合、凹凸を構成する凸部上面から活性層までの距離は、凹凸高さの３倍以下であることが好ましい。別の観点から、凸部上面から活性層までの距離Ｄは、凹凸のピッチ幅の３倍以下であることが好ましい。このような範囲の距離とすることにより、単一モードの発振を実現することができる。この距離Ｄは、凹凸高さの０．５倍以上であることが好ましい。これにより、凹凸の上に形成される半導体層の表面を平坦化することができる。さらに、別の観点から、凹凸は、活性層に近接して形成されていることが好ましく、例えば、凹凸における最も活性層に近い距離が、３００ｎｍ程度以下、１００ｎｍ程度以下、５０ｎｍ程度以下、あるいは、凹凸の高さ程度以下に配置されるように形成されていることが好ましい。
凹凸や凹凸を埋める半導体層をこのような大きさや深さにすることにより、精度よく凹凸を形成しながら、凹凸を埋め込んだ第１半導体層表面を平坦化することができ、ひいては、その上に形成される活性層の特性を確保又は向上させることができる。このようにすると、回折格子の上面が平坦であって、レーザ素子本来の性能を確保又は向上させながら、回折格子の効果を十分に発揮することができ、閾値電流を低下させることができる。 一定のピッチで凹凸を形成し、凹部と凸部の幅の比を変えて形成する場合、凹部の幅を広げるに従い、埋める半導体層の膜厚を小さくできる傾向にある。
（リッジ）
窒化物半導体層を形成した後、第２の半導体層の表面にリッジを形成する。
例えば、最上層の第４のｐ側半導体層（ｐ側コンタクト層）のほぼ全面にＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成し、その後、保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ装置等を利用し、ＣＨＦ3ガスを用いたフォトリソグラフィ技術により、ストライプ状の保護膜を形成する。この保護膜をマスクとして用いて、例えば、ＳｉＣｌ4ガスにより半導体層をエッチングすることにより、リッジを形成することができる。リッジは、通常、第４のｐ側半導体層からエッチングされ、活性層よりも上に形成することが好ましく、その形状は、ストライプ状であることが適当である。例えば、ｐ側コンタクト層からｐ側ガイド層の途中までエッチングしてなるストライプなどが挙げられる。本発明において、ｐ側半導体層に凹凸を設ける場合、凹凸よりも上にリッジを形成してもよいし、凹凸の途中においてエッチングを止めてリッジを形成してもよいし、凹凸よりも下までエッチングしてリッジを形成してもよい。凹凸よりも下までエッチングしてリッジを形成する場合は、リッジの下において凹凸を有する構造となる。リッジの幅は０．５〜１５μｍ、好ましくは１．０〜５．０μｍの範囲である。
なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子においては、リッジが形成されていることは必ずしも必要ではなく、例えば、窒化物半導体層に電流狭窄層を形成した半導体レーザ素子であってもよい。
（電極）
ｐ型コンタクト層上のリッジにｐ電極をスパッタにより形成する。ｐ電極１２０は、例えば、金属層の多層構造とすることが好ましく、具体的には、Ｎｉ−Ａｕ系、Ｎｉ−Ａｕ−Ｐｔ系、Ｐｄ−Ｐｔ系、Ｎｉ−Ｐｔ系、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｔｉ系，Ｐｔ−Ｒｈ系、ＩＴＯ系の電極材料等が挙げられる。
ｎ型コンタクト層上面にもオーミックを取るｎ電極を形成する。ｎ電極はＴｉ−Ａｌ系、Ｖ−Ｐｔ系、Ｗ−Ｐｔ系、Ｔｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｐｔ系、Ｗ−Ａｌ−Ｗ系、Ｔｉ−Ｍｏ−Ｔｉ−Ｐｔ系の電極材料等からなり、リッジと平行で、かつ、同程度の長さのストライプ状に形成されている。ｎ電極は必ずしもｎ型コンタクト層の上面に形成する必要はなく、例えば、用いた基板が導電性を有し、オーミックコンタクト性を確保することができれば、基板の下面側（素子構造とは反対側）に形成してもよい。
なお、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、通常、一対の共振器端面が形成されている。また、リッジ上、共振器面上等に、絶縁膜が形成されていてもよいし、各電極上にパッド電極等が形成されていてもよい。
本発明は、別形態として、第２半導体層内に凹凸を形成する場合、共振器端面に対して垂直方向に延びるストライプ状に凹凸を形成し、第２半導体層内において、第１領域と、この第１領域の両側に形成された第２領域とが形成されており、第１領域における凹部及び／又は凸部の幅は、第２領域における凹部及び／又は凸部の幅とは異なるように形成し、第１領域と第２領域との屈折率及び／又は導電率に差異を持たせるような窒化物半導体レーザ素子とすることができる。
このような窒化物半導体レーザ素子によれば、リッジの両側に形成する保護膜やリッジ幅、リッジ深さにのみ依存することなく、横方向の光閉じ込めを実現することができる。また、レーザ光の横方向の広がり幅と縦方向の広がり幅とのアスペクト比を安定させることができる。このような窒化物半導体レーザ素子によれば、リッジを形成することなく横方向の光閉じ込めと電流狭窄とを実現することができる。しかも、マスクを用いた選択成長をしなくてもよいため、半導体層の積層段階での異常成長の問題がなく、製造歩留まりが高く量産性に向いている。
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、図１（ａ）に示すように、基板１１と、第１半導体層１２（例えば、ｎ型）と、活性層１３と、第２半導体層１４（例えば、ｐ型）とを備えて構成される。さらに、このレーザ素子は、第１半導体層１２及び第２半導体層１４にそれぞれ電気的に接続された第１電極（図示せず）及び第２電極（図示せず）とを備え、第２半導体層１４上には第１の保護膜（埋込膜）１５、共振器端面には第２の保護膜１６（図１（ｂ）参照）が形成されている。
基板１１としては、サファイアからなる異種基板を用い、その上にバッファ層（図示せず）を介して、ラテラル成長を利用した下地層が形成されている。
第１半導体層１２、活性層１３及び第２半導体層１４の組成及び膜厚は、表１に示したとおりである。
Figure 2008028375
 また、この窒化物半導体レーザは、表２に示す構造を有する。
Figure 2008028375
このレーザ素子は、図１（ｂ）に示すように、第２半導体層１４内の光ガイド層に、回折格子２４が形成されている。回折格子２４は、図１（ｂ）及び図２に示すように、ピッチＰが８０ｎｍ、凸部２４ａの幅Ａが４０ｎｍ、凹部２４ｂの幅Ｂが４０ｎｍ、凹凸の高さＨが１００ｎｍ、活性層１３からの距離Ｄが５０ｎｍとなっている。また、この実施例の回折格子２４は、図２に示したように、凸部の上面４１は凸部側面４２と略垂直に形成されており、凸部２４ａ（凹部２４ｂ）の側面４２から連続して、傾斜角γ＝４５°で、底面４４からの高さＧが４０ｎｍの傾斜面４３を有している。
このレーザ素子は、以下のように製造することができる。
まず、異種基板としてサファイア基板を用意する。
このサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上にＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる低温成長のバッファ層を１５ｎｍの膜厚で成長させる。
得られたバッファ層の上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１１００℃でＳｉドープしたＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなるｎ型コンタクト層を３．５μｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９２０℃にしてＳｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
温度を１０００℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.08Ｇａ0.92ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作をそれぞれ２６０回繰り返してＡ層とＢ層とを積層し、総膜厚１．３μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。このとき、クラッド層のＡｌの平均組成は０．０３６とする。
クラッド層の上に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮからなる膜厚０．１７μｍのｎ型光ガイド層を成長させる。
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧを用い、ＳｉドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる第１の障壁層、アンドープのＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎよりなる井戸層、を、２ペア積層し、その上に、アンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる第２の障壁層を積層し、活性層を形成する。第１の障壁層を１４０Å、第２の障壁層を１４０Å、井戸層７０Å／障壁層１４０Åとし、総膜厚約５６０Åの量子井戸構造を形成する。
活性層の上に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ型第１キャップ層を３０Åの膜厚で成長させ、その上に、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ型第２キャップ層を７０Åの膜厚で成長させる。
温度を１０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮからなる膜厚０．１５μｍのｐ側光ガイド層を成長させる。このｐ型光ガイド層は、ノンドープ層であるが、ｐ型キャップ層、後述するｐ型クラッド層等の隣接層からのＭｇの拡散によりＭｇが含まれることもある。また、Ｍｇを意図的にドープしてもよい。
この層の上に、ＳｉＯ2膜（膜厚２００ｎｍ）を形成し、その上にレジスト層（膜厚２００ｎｍ）を形成する。電子線描画法を用い、レジスト層に、回折格子に対応するパターンを形成する。そのレジストパターンをマスクとして、ＳｉＯ2膜にパターンを転写し、さらにこれらパターニングされたレジスト層及びＳｉＯ2膜をマスクとして用いて、ＲＩＥ法により、回折格子を形成する。この際にエッチング圧力を初期に８Ｐａとし、エッチングすることにより、底面４４及び傾斜面４３を形成し、続いて圧力を４Ｐａに変更し、ｐ型光ガイド層を１３５ｎｍ掘り下げる。これにより凸部（凹部）側面４２と凹部底面４４との間にγ＝４５°で傾斜した傾斜面４３を有する回折格子を形成する。
マスクパターンを除去した後、原料ガスの流量、圧力等の条件を調整しながら、１０００℃でアンドープＡｌ0.13Ｇａ0.87ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を９４回繰り返し、総膜厚０．４７μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。
これにより、回折格子上に、ｐ型クラッド層を平坦に成長させることができる。また、回折格子を構成する凸部の上にはＡｌの組成比が高い領域が配置されている。
最後に、１０００℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはｐ型不純物をドープしたＧａＮ又はＡｌ組成比０．３以下のＡｌＧａＮとすれば、ｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。ｐ型コンタクト層はその上に電極を形成するので、１×１０17／ｃｍ3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を低抵抗化する。
このようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2からなるエッチング用マスクを形成する。このマスクを所定の形状に加工し、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってｐ型半導体層、活性層、ｎ型半導体層の一部を順次エッチングし、ｎ電極を形成するｎ型コンタクト層の表面を露出させる。この際エッチングにより共振面（１−１００面、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）の形成を同時に行う。また、この際、ｎ電極を形成する領域のみならず、後工程において窒化物半導体素子に分割する位置及び／又はその周辺を含む領域においても、ｎ型コンタクト層の表面を露出させる。
次に、上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）１１１のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。次いで、第１の保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを用い、フォトリソグラフィ技術により、第１の保護膜をストライプ幅２μｍとする。続いて、第１の保護膜をマスクとして用いて、ｐ型コンタクト層およびｐ型クラッド層、ｐ型光ガイド層の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングすることにより、リッジストライプを形成する。
リッジストライプ形成後、第１の保護膜の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる埋込膜を、第１の保護膜の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層との上に１００ｎｍの膜厚で連続して形成する。
保護膜形成後、ウェハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ2以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、保護膜成膜後に、３００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、埋込膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
次に、ウェハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。これにより、ｐ型コンタクト層の上に設けられていた第１の保護膜が除去されて、ｐ型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層の露出面）に埋込膜を形成する。
このように、ｐ型コンタクト層の上に設けられた第１の保護膜が除去された後、その露出したｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕ（１００Å／１５００Å）よりなるｐ電極を形成する。ｐ電極は、ストライプ幅を１００μｍとして、保護膜の上に渡って形成する。
このｐ電極の形成の前又は後に、既に露出させたｎ型コンタクト層の表面に、Ｔｉ／Ａｌ（１００Å／５０００Å）よりなるストライプ状のｎ電極をストライプと平行な方向で形成する。
次に、ｐ電極及びｎ電極に取り出し電極を設けるため、所望の領域をマスクし、ＳｉＯ2からなる保護膜を設ける。この際、対になる共振器面（反射面側）及び共振器面（光出射面側）にもＳｉＯ2からなる保護膜が設けられる。
その後、ｐ電極上にＲｈＯ−Ｐｔ−Ａｕ（３０００Å−１５００Å−６０００Å）よりなるパッド電極を設ける。ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパッド電極を設ける。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ウェハのサファイア基板を研磨して２００μｍとする。次に、上述した共振器面（光出射面側）に沿って、つまり、ストライプ状のｐ及びｎ電極に垂直な方向に対して、スクライブ及びブレイクによりバー状に切断する。
最後に、ｐ電極に平行な方向で、ウェハをチップ状に切断してレーザ素子（共振器長は３００μｍ）を得る。
このようなレーザ素子では、回折格子とｐ型クラッド層との界面に空洞が形成されることなく平坦化させることができる。実際にこのレーザ素子を発振させると、図７（ａ）に示すように、３０ｍＷで縦モードシングルスペクトルピークが得られる。なお、参照例として、回折格子を形成していない以外、同様の構成のレーザ素子を発振させると、図７（ｂ）に示すように、１０ｍＷで縦モードシングルスペクトルピークが得られず、多モードマルチスペクトルとなっていることがわかる。
実施例２
この実施例のレーザ素子は、図５(ａ）に示すように、第２半導体層１４内の光ガイド層に形成された回折格子２４の凹部が底面を有さない形状とする、言い換えると、隣接する傾斜面４３同士が底部４５を構成している以外、実施例１のレーザ素子と同様の構成である。この実施例の回折格子２４は、凸部２４ａ（凹部２４ｂ）の側面４２から連続して傾斜角４５°で、底部４５からの高さＧが３０ｎｍの傾斜面４３を有している。
このレーザ素子は、以下のように製造することができる。
ｐ型光ガイド層を形成した後、この層の上に、ＳｉＯ2膜（膜厚２００ｎｍ）を形成し、その上にレジスト層（膜厚２００ｎｍ）を形成する。電子線描画法を用い、レジスト層に、回折格子に対応するパターンを形成する。その際に、凹部に対応するパターンの底部に傾斜面を有する残膜ができるように電子線照射を行い現像する。そのレジストパターンをマスクとして、ＳｉＯ2膜にパターンを転写し、さらにこれらパターニングされたレジスト層及びＳｉＯ2膜をマスクとして用いて、ＲＩＥ法により、例えば、圧力を０．０５〜１０ｐａの範囲内で適宜調整し、ｐ型光ガイド層を１３５ｎｍ掘り下げることにより、凹部に底面のない、凸部側面から４５°傾斜した傾斜面を有する回折格子を形成する。
マスクパターンを除去した後、１０００℃でアンドープＡｌ0.13Ｇａ0.87ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を９４回繰り返し、総膜厚０．４７μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。
これにより、回折格子上に、ｐ型クラッド層を平坦に成長させることができる。
このようなレーザ素子では、回折格子とｐ型クラッド層との界面に空洞が形成されることなく平坦化させることができる。実際にこのレーザ素子を発振させると、図７（ａ）と同様に、３０ｍＷの縦モードシングルスペクトルピークが得られる。
実施例３
この実施例のレーザ素子は、図５（ｂ）に示すように、第２半導体層１４内の光ガイド層に形成された回折格子において、凹部２４ｂ（凸部２４ａ）の側面４２から連続して傾斜角＝３０°で、底面からの高さＧ1＋Ｇ2が４０ｎｍの傾斜面４３ａを有し、さらに連続して傾斜角＝４５°で、底面からの高さＧ2が２０ｎｍの傾斜面４３ｂを有している以外、実施例１のレーザ素子と同様の構成である。
このような凹凸は、以下のように形成することができる。ｐ型光ガイド層の上に、ＳｉＯ2膜（膜厚２００ｎｍ）を形成し、その上にレジスト層（膜厚２００ｎｍ）を形成する。電子線描画法を用い、レジスト層に、回折格子に対応するパターンを形成する。そのレジストパターンをマスクとして、ＳｉＯ2膜にパターンを転写し、さらにこれらパターニングされたレジスト層及びＳｉＯ2膜をマスクとして用いて、ＲＩＥ法により、回折格子を形成する。この際にエッチング圧力を例えば初期に８Ｐａとしてエッチングし、傾斜を有する部分に対応する底面及び底面側の傾斜面４３ｂを形成する。続いてエッチング圧力を６Ｐａに変更してエッチングすることにより、側面側の傾斜面４３ａを形成する。その後に４Ｐａに変更し、ｐ型光ガイド層を１３５ｎｍ掘り下げることにより側面を形成し、回折格子を形成する。
マスクパターンを除去した後、１０００℃でアンドープＡｌ0.13Ｇａ0.87ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を９４回繰り返し、総膜厚０．４７μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。
これにより、回折格子を構成する凸部の側面から底面にかけて傾斜を形成することができ、回折格子上に、ｐ型クラッド層を平坦に成長させることができる。
実際にこのレーザ素子を発振させると、図７（ａ）と同様に、３０ｍＷの縦モードシングルスペクトルピークが得られる。
実施例４
この実施例のレーザ素子は、図５（ｃ）に示すように、第２半導体層１４内の光ガイド層に形成された回折格子において、凸部の上面４１と側面４２との間に、傾斜角δ＝４５°で、上面からの高さＧ３が２０ｎｍの傾斜を有する形状のものが形成されている以外、実施例１のレーザ素子と同様の構成である。
このような凹凸は、以下のように形成することができる。
ｐ型光ガイド層の上に、ＳｉＯ2膜（膜厚２００ｎｍ）を形成し、その上にレジスト層（膜厚２００ｎｍ）を形成する。電子線描画法を用い、レジスト層に、回折格子に対応するパターンを形成する。そのレジストパターンをマスクとして、ＳｉＯ2膜にパターンを転写し、さらにこれらパターニングされたレジスト層及びＳｉＯ2膜をマスクとして用いて、ＲＩＥ法により、回折格子を形成する。この際にエッチング圧力を例えば初期に８Ｐａとし、その後に４Ｐａに変更することにより、傾斜を有する部分に対応する底面及び斜面（図５（ｃ）のＧの領域）を形成し、続いて圧力を０．０５〜１０ｐａの範囲内で適宜調整し、ｐ型光ガイド層を１３５ｎｍ掘り下げることにより側面を形成し、回折格子を形成する。
その後、希釈されたフッ酸を用いてＳｉＯ2マスクの上面角部に傾斜面が現れるまでウエットエッチングを行う。その後、再びＳｉＯ2膜をマスクとして用い、ＲＩＥ法により、エッチング圧力を４Ｐａに保ち、凸部上面と側面との間に傾斜面を形成する。
マスクパターンを除去した後、１０００℃でアンドープＡｌ0.13Ｇａ0.87ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、Ａ層、Ｂ層を交互に積層する操作を９４回繰り返し、総膜厚０．４７μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。
これにより、回折格子を構成する凸部の上面４１と側面４２との間に傾斜を形成することができ、回折格子上に、ｐ型クラッド層やｐ型コンタクト層を平坦に成長させることができる。
実際にこのレーザ素子を発振させると、図７（ａ）と同様に、３０ｍＷの縦モードシングルスペクトルピークが得られる。
本発明のレーザ素子構造を説明する模式断面図である。 本発明のレーザ素子における凹凸について説明するための模式断面図である。 本発明の一レーザ素子における別の態様の回折格子について説明するための模式断面図である。 本発明の一レーザ素子におけるさらに別の態様の回折格子について説明するための模式断面図である。 本発明の一レーザ素子におけるさらに別の態様の回折格子について説明するための模式断面図である。 本発明の一レーザ素子における別の態様の回折格子について説明するための模式断面図である。 本発明のレーザ素子のスペクトル図（ａ）及び比較のためのレーザ素子のスペクトル図（ｂ）である。
符号の説明
１０ レーザ素子
１１ 基板
１２ 第１半導体層
１３ 活性層
１４ 第２半導体層
１５ 埋込膜
１６ 保護膜
１７、１８、２７ 混晶領域
２４ 回折格子２４ａ、３４ａ 凸部
２４ｂ、３４ｂ 凹部
４１ 凸部上面
４２ 側面（第１領域）
４３ 傾斜面（第２領域）
４４ 底面
４５ 底部

Claims (18)

  1. 基板と、前記基板上に、第１半導体層、活性層及び第２半導体層を順に積層した窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記第１半導体層及び／又は第２半導体層内には凹凸が形成されており、
    該凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、
    該凹凸が形成された半導体層が、下方向に延びる第１領域と、該第１領域から連続してさらに下方向に延びる第２領域とを有する側面を備え、
    該第２領域は前記第１領域よりも基板の法線方向に対する傾斜が大きいことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
  2. 第２領域は、前記凹凸の高さの１／２〜１／１０の範囲に形成される請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 第２領域は、傾斜角度が、基板の法線方向に対して２０°〜７０°の範囲である請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 凹凸における凸部の幅及び凹部の幅が、凹凸の高さの１／１５〜８の範囲である請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 凹凸はストライプ状に形成され、凹凸の幅は、４０〜４００ｎｍの範囲のピッチを有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 第１領域は、基板の法線方向に対して−３０°〜３０°の範囲の傾斜を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 隣接する凸部は、第２領域同士が連続して凹部底部を構成する請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  8. 隣接する凸部の第２領域間に凹部の底面を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  9. 第２領域は傾斜角度の異なる複数の傾斜面からなる請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  10. 凸部は上面を有し、上面と第１領域の間に傾斜面を有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  11. 前記凹凸を埋める半導体層の表面は略平坦に形成されている請求項１〜１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  12. 凸部上面と第１領域とは略垂直である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  13. 凹凸が形成された半導体層が、ＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦０．２０）からなる層である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  14. さらに、凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、該凹凸を埋める半導体層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．５０）からなる層である請求項１〜１３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  15. さらに、凹凸が形成された半導体層上に、凹凸を埋める半導体層が形成されており、該凹凸を埋める半導体層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦０．１０）からなる第１層と、ＡｌbＧａ1-bＮ（０．０５≦ｂ≦０．１４）からなる第２層とで構成される超格子層を含む請求項１〜１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  16. 窒化物半導体レーザ素子は共振面を有し、凹凸は共振面と略平行にストライプ状に設けられる請求項１〜１５のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  17. 前記凹凸は第１半導体層内に形成され、前記凹凸の凸部上面から活性層までの距離が凹凸高さの３倍以下である請求項１〜１６のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
  18. 前記凹凸は、第１半導体層内にストライプ状に形成され、該凹凸を構成する凸部上面から活性層までの距離が凹凸のピッチ幅の３倍以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
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