JP4683731B2 - 窒化物半導体レーザ素子とこれを含む光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改善されたレーザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子とこれを含む光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザ素子の発光特性を改善するために、サファイア基板上に積層されたＧａＮ層に凸部を形成し、その凸部をＧａＮ下地層で平坦に被覆し、さらにそのＧａＮ下地層上に窒化ガリウム系半導体レーザ素子を形成することが、特開２０００−１２４５００号公報に開示されている。また、この公報では、サファイア基板がＧａＮ基板に置き換えられてもよい旨が述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許公開公報におけるサファイア基板がＧａＮ基板で置き換えられた窒化物半導体レーザ素子においても、その発振寿命が十分でないという課題を含んでいる。そこで本発明は、発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を提供することを主要な目的の１つとしている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板の一主面に形成された溝と丘を含む加工基板と、この加工基板の溝と丘を覆う窒化物半導体下地層と、この窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造とを含み、溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつ丘の幅方向の中央からも１μｍ離れた領域の上方に発光素子構造の電流狭窄部分が形成されていることを特徴としている。
【０００５】
電流狭窄部分は、溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつその溝の幅内の領域の上方に形成されていることがより好ましい。なお、電流狭窄部は、溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつその溝の幅と溝に隣接する丘の幅にまたがった領域の上方に形成されていてもよい。
【０００６】
溝の幅と丘の幅の少なくとも一方は、４〜３０μｍの範囲内にあることが好ましい。また、溝の幅は丘の幅より広いことが好ましく、溝の深さは１〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【０００７】
窒化物半導体下地層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくともいずれかの不純物を１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内で含むＧａＮで形成され得る。また、窒化物半導体下地層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）、またはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１８）を含んでもよい。量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
【０００８】
上述のような窒化物半導体レーザ素子は、種々の光学装置において好ましく用いられ得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において本発明による種々の実施形態を説明するに際して、いくつかの用語の意味を予め明らかにしておく。
【００１０】
まず、「溝」とは、窒化物半導体基板の一主面に形成されたストライプ状の凹部を意味し、「丘」とは同様にストライプ状の凸部を意味する（たとえば図２参照）。なお、溝と丘の断面形状は、必ずしも図２に示されているような矩形状である必要はなくてＶ字形状などであってもよく、要するに凹凸の段差を生じさせるものであればよい。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどは図面の簡略化と明瞭化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１１】
「窒化物半導体基板」とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む基板を意味する。ただし、この窒化物半導体基板に含まれる窒素元素の約１０％以下がＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかで置換されてもよい（ただし、基板の六方晶系が維持されることが前提）。また、窒化物半導体基板は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかの不純物が添加されてもよい。窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、これらの不純物のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。そして、その不純物の添加量は５×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内にあることが好ましい。
【００１２】
「加工基板」とは、窒化物半導体基板の一主面に溝と丘が形成された基板を意味する。なお、溝の幅と丘の幅は、一定の周期を有していてもよいし、種々に異なる幅を有していてもよい。また、溝の深さに関しても、すべての溝が一定の深さを有していてもよいし、種々に異なる深さを有していてもよい。
【００１３】
「窒化物半導体下地層」とは、加工基板を被覆する窒化物半導体膜を意味し、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含んでいる。ただし、窒化物半導体基板の場合と同様に、この窒化物半導体下地層に含まれる窒素元素の約１０％以下がＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかで置換されてもよく、また、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかの不純物が添加されてもよい。窒化物半導体下地層がｎ型導電性を有するための不純物としては、これらの不純物のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００１４】
「被覆加工基板」とは、加工基板とそれを被覆する窒化物半導体下地層とを含む改良基板を意味する（図３参照）。
【００１５】
「発光層」とは、１以上の量子井戸層またはそれと交互に積層された複数の障壁層を含み、発光作用を生じさせ得る層を意味する。ただし、単一量子井戸構造の発光層は、１つの井戸層のみから構成されるか、または障壁層／井戸層／障壁層の積層から構成される。もちろん、多重量子井戸構造の発光層は、交互に積層された複数の井戸層と複数の障壁層を含んでいる。
【００１６】
「発光素子構造」とは、発光層に加えて、それを挟むｎ型層とｐ型層をさらに含む構造を意味する。
【００１７】
「電流狭窄部分」とは、ｐ型層またはｎ型層を介して発光層中に実質的に電流が注入される部分を意味する。また、「電流狭窄幅」とは、電流狭窄部分の幅を意味する。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流狭窄部分は図４（ａ）に示されているようなリッジストライプ部に相当し、電流狭窄幅はリッジストライプ幅に相当する。同様に、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流狭窄部分は図４（ｂ）に示されているように２つの電流阻止層に挟まれた部分に相当し、電流狭窄幅は電流阻止層間幅に相当する。
【００１８】
［実施形態１］
本発明による窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板の１主面上に形成された溝と丘を含む加工基板と、この加工基板の溝と丘を覆う窒化物半導体下地層と、この窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造とを含んでいる。そして、その発光素子構造の電流狭窄部分が、加工基板における溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつ丘の幅方向の中央からも１μｍ以上離れた領域の上方に形成されている。このことによって、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命の改善がなされ得る。
【００１９】
なお、本発明による効果は、窒化物半導体からなる加工基板を用いた場合のみにおいて得られる。なぜならば、窒化物半導体以外の基板（以後、異種基板と呼ぶ）からなる加工基板上に成長させられた窒化物半導体下地層は、窒化物半導体の加工基板上に成長させられたものに比べて強い応力歪を受けているからである。これは、異種基板と窒化物半導体下地層との間の熱膨張係数差が、窒化物半導体基板と窒化物半導体下地層との場合に比べて非常に大きいからである。したがって、窒化物半導体基板の代わりに異種基板が用いられた場合には、電流狭窄部分が本発明において規定される最適領域に属するように形成されたとしても、加工基板を被覆する窒化物半導体下地層と発光素子構造中の結晶歪は十分に緩和され得ない。また、異種基板と窒化物半導体下地層との間の非常に大きな熱膨張係数差によって、異種基板自体が反ってしまうこともある。発光素子構造を堆積すべき基板が反ってしまえば、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分を再現性よく所定位置に形成することが困難になる。
【００２０】
（電流狭窄部分の最適位置について）
本発明者らの詳細な検討の結果、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部が被覆加工基板のどの位置の上方に形成されるかに依存して、レーザ発振寿命が変化することが見出された。
【００２１】
図５において、グラフの横軸は被覆加工基板の溝中央ｃからその幅方向にリッジストライプ端ａまでの距離を表わし、縦軸はレーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件下でのレーザ発振寿命を表わしている。ここで、溝中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｃ−ａ距離と呼ぶ）は、溝中央ｃから幅方向に右側が正で左側が負で表示されている。また、レーザ発振寿命は、レーザ素子を寿命試験装置にセットしたときの初期しきい値電流からその１．５倍のしきい値電流になるまでの時間として決定された。なお、図５で測定された窒化物半導体レーザ素子の構造と製法は、後述の実施形態２と同様であった。また、リッジストライプ幅は２μｍであり、溝幅は１８μｍであり、丘幅は８μｍであり、そして溝深さは２．５μｍであった。
【００２２】
図５からわかるように、リッジストライプ部が溝の上方に形成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部が丘の上方に形成されたものよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、溝上方の領域内であっても、ｃ−ａ距離が−３μｍよりも大きくて１μｍよりも小さい領域にリッジストライプ部が形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少することがわかった。ここで、リッジストライプ部の幅が２μｍであることを考慮してｃ−ａ距離−３μｍが溝中央ｃからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｃ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、ｃ−ｂ距離は−１μｍになる。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の少なくとも一部が溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲内に含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。
【００２３】
このようなレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲）を領域ＩＩＩと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、領域ＩＩＩを除く範囲に、その全体（ａ−ｂ幅）が含まれるように形成されることが好ましい。なお、リッジストライプ部は、溝中央ｃから幅方向に２μｍ以上離れた領域内に形成されることがさらに好ましい。この場合、領域ＩＩＩの幅が４μｍ未満であると拡大して考えればよい。ここで、溝幅範囲内において、溝中央ｃを含む領域ＩＩＩの外側の範囲を領域Ｉと呼ぶことにする。この領域Ｉは、以下で述べる領域ＩＩに比べても、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を形成することが可能な領域である。
【００２４】
なお、丘の上方の領域に関しても、溝の上方の領域の場合と同様の説明が適用され得る。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部がｃ−ａ距離として１０μｍよりも大きくて１４μｍよりも小さい領域に形成されれば、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命が劇的に減少してしまった。ここで、リッジストライプ部の幅が２μｍであることを考慮して、ｃ−ａ距離１０μｍが丘中央ｄからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｄ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、ｄ−ｂ距離は１μｍになる。同様にして、ｃ−ａ距離１４μｍが丘中央ｄからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｄ−ａ距離）に換算されれば、ｄ−ａ距離は１μｍになる。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の少なくとも一部が丘中央ｄから幅方向に左右１μｍ未満の範囲内に含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。
【００２５】
このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（丘中央ｄから幅方向に左右１μｍ未満の範囲）を領域ＩＶと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、領域ＩＶを除く範囲に、その全体（ａ−ｂ幅）が含まれるように形成されることが好ましい。なお、リッジストライプ部は、丘中央ｄから幅方向に２μｍ以上離れた領域内に形成されることがさらに好ましい。この場合、領域ＩＶの幅を４μｍ未満に拡大して考えればよい。ここで、丘幅範囲内において、丘中央ｄを含む領域ＩＶの外側の範囲を領域ＩＩと呼ぶことにする。この領域ＩＩ上にリッジストライプ部が形成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、前述の領域Ｉの場合に比べて短いものの、数千時間の十分な期間であった。
【００２６】
以上の結果が、図６の模式図にまとめられており、前述の領域Ｉから領域ＩＶが本発明における被覆加工基板の模式図中に示されている。すなわち、本発明による被覆加工基板において、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、少なくとも領域ＩＩＩと領域ＩＶを避けた領域（すなわち領域ＩとＩＩ）に形成されることが好ましく、領域Ｉが最も好ましくて、それに次いで領域ＩＩが好ましい。リッジストライプ部が領域ＩとＩＩにまたがって形成された場合には、レーザ発振寿命の向上以外に、リッジストライプ部にクラックが入りにくくなるという特徴を有するので好ましい。本発明者らの詳細な検討の結果では、リッジストライプ部が領域Ｉに形成された場合には、領域ＩＩに形成された場合に比較してレーザ素子の微分効率がさらに６０〜７０％向上した。
【００２７】
レーザ発振寿命がリッジストライプ部の形成位置によって異なる理由は、発光素子構造の結晶歪の緩和のされ方が被覆加工基板上の位置に依存して異なるからであると思われる。なお、リッジストライプ部の幅が２μｍ以外の場合であっても、図５に示された関係と同様の傾向が得られる。
【００２８】
また、前述のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係は、たとえば図４（ａ）の模式的断面図に示されるようなリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子構造に限られるものではない。たとえば、図４（ｂ）の模式的断面図に示されるような電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、前述のリッジストライプ部は電流阻止層間部分に相当するし、リッジストライプ幅は電流阻止層間幅に相当する。さらに一般的な表現を用いれば、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振に寄与する電流狭窄部分（実質的に電流が注入される発光層部分）が、図６に示された領域Ｉおよび／またはＩＩの上方に存在していれば、本発明による効果を得ることが可能である。
【００２９】
しかしながら、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、上述されたリッジストライプ構造を有する素子に比較して、レーザ発振寿命は約２０〜３０％程度低かった。また、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有する素子に比較して、クラックの発生による歩留まりの低下が大きかった。これらの原因については明らかではないが、おそらく、電流狭窄部分が形成された電流阻止層上に再び窒化物半導体を結晶成長させる工程に問題があるのではないかと考えられる。たとえば、電流阻止層上に再び窒化物半導体を結晶成長させる工程では、電流阻止層に電流狭窄部を形成するために発光素子構造の形成途中にウエハが一旦結晶成長装置から取出され（常温）、再び結晶成長装置に装填されて残りの発光素子構造を結晶成長（約１０００℃）させる。このように発光素子構造の途中で急激な温度差のある熱履歴を与えれば、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子であっても、発光素子構造内の結晶歪みが十分に緩和されなくてクラックが発生するものと考えられる。
【００３０】
（溝幅について）
加工基板に形成される溝の幅は、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、１１μｍ以上で２５μｍ以下であることがより好ましい。このような溝幅の下限値と上限値は、以下のようにして見積もられた。溝幅内の上方に窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分が形成される場合、溝幅の下限値はその電流狭窄部分の幅（電流狭窄幅）に依存する。上述のレーザ発振の長寿命化の観点から、電流狭窄部分は、領域Ｉ（図６参照）に形成されることが好ましい。したがって、溝幅の下限値は、少なくとも電流狭窄幅よりも広くする必要がある。電流狭窄幅は約１〜３．５μｍの範囲内で形成され得るので、溝幅の下限値は、領域ＩＩＩの幅２μｍとストライプ幅（１μｍ）×２を加えた少なくとも４μｍ以上でなければならないと見積もられる。さらに好ましい溝幅の下限値としては、領域ＩＩＩの拡大された幅４μｍとストライプ幅（３．５μｍ）×２を加えた１１μｍ以上であると見積もられる。
【００３１】
他方、溝幅の上限値には、特に制約はない。しかし、加工基板に形成された溝が窒化物半導体下地層で完全に被覆されるためには、溝幅は３０μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３２】
また、溝幅は、加工基板に形成される丘の幅よりも広い方が好ましい。なぜならば、電流狭窄部分が形成され得る最も好ましい領域Ｉが広くなって、そこに多くの窒化物半導体レーザ素子が形成され得るからであり、さらに、得られる窒化物半導体レーザ素子の不良率が減少するので好ましい。
【００３３】
（丘幅について）
丘幅内の上方に電流狭窄部分が形成される（領域ＩＩに形成される）場合、または丘と溝の両方にまたがる領域の上方にそれが形成される場合、その丘幅の下限値と上限値は、上述の溝幅の場合と同様に、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、１１μｍ以上で２５μｍ以下であることがより好ましい。しかし、丘の上方に電流狭窄部分が形成されることの優位性は、溝の上方に形成される場合に比べて小さいので、レーザ発振寿命の長寿命化の観点から、溝の上方に電流狭窄部分が形成される方が好ましい（すなわち、領域Ｉに形成されることが好ましい）。また、電流狭窄部にクラックが発生することを防止する観点からは、丘と溝の両方にまたがる領域の上方に電流狭窄部が形成されるほうが好ましい。
【００３４】
溝の上方に電流狭窄部分が形成される場合は、丘幅の下限値は領域ＩＶの幅に相当する２μｍ以上であることが必要であり、領域ＩＶの拡大された幅に相当する４μｍ以上であることが好ましい。また、溝の上方に電流狭窄部分が形成される場合の丘幅の上限値については、特に制約はない。しかし、丘幅が小さくなれば基板内で溝領域の占める割合が増えるので、発光素子構造の結晶歪緩和効果が大きくなると考えられる。このような観点から、丘幅の上限値は２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。
【００３５】
（溝深さについて）
図７は、溝深さＨとレーザ発振寿命（レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件下）との関係を表わしている。図７で測定された窒化物半導体レーザ素子の構造と製法は後述の実施形態２と同様であり、溝幅と丘幅とリッジストライプ幅はそれぞれ１８μｍと８μｍと２μｍであった。また、リッジストライプ部は、領域Ｉ内でｃ−ａ距離４μｍの位置に形成された（図５参照）。
【００３６】
図７からわかるように、溝深さＨが約１μｍ以上に増大するに従って、レーザ発振寿命が長くなり始めた。さらに、溝深さＨが２μｍ以上になれば、レーザ発振寿命がさらに延びた後に概ね一定の飽和値に達した。レーザ発振寿命の改善に関する溝深さＨの上限値には特に制約がないが、溝深さＨが約１０μｍを超えれば、その深さを有する溝が窒化物半導体下地層で被覆されにくくなる。そして、溝が窒化物半導体下地層で被覆されにくくなれば、窒化物半導体レーザ素子が作製され得る領域が減少してしまう可能性がある。したがって、溝深さＨは１μｍ以上で１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上で５μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３７】
なお、溝深さとレーザ発振寿命との関係は、電流狭窄部分が領域Ｉまたは/およびＩＩの上方に形成されている限り、図７と同様の傾向を示し得る。
【００３８】
（溝の長手方向について）
主面として｛０００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体基板に形成された溝の長手方向は、＜１−１００＞方向に平行であることが最も好ましく、＜１１−２０＞方向に平行であることが次に好ましかった。これらの特定方向に関する溝の長手方向は、｛０００１｝Ｃ面内で±５度程度の開き角度を有していても実質的な影響を生じなかった。
【００３９】
窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成されることの優位性は、結晶歪みとクラック発生の抑制効果が非常に高いことである。この方向に沿って形成された溝内に窒化物半導体下地層が成長される場合、その溝の側壁面には主に｛１１−２０｝面が成長しながら、その溝が窒化物半導体下地層で被覆される。この｛１１−２０｝側壁面は基板の主面に対して垂直であるので、溝はほぼ矩形形状の横断面を有しながら窒化物半導体下地層で被覆されていく。すなわち、溝の底面上には窒化物半導体下地層が成長しにくく、溝の側壁からその溝が被覆されていく。そして、窒化物半導体下地層は基板主面に平行な方向に十分に成長（以後、横方向成長と呼ぶ）するので、結晶歪みとクラック発生に対する抑制効果が非常に高くなるものと考えられる。
【００４０】
そして、＜１−１００＞方向に沿った溝の長手方向の特徴と電流狭窄部分の最適位置の特徴とを組合せることによって、より一層のレーザ発振の長寿命化が可能になる。
【００４１】
他方、窒化物半導体基板の＜１１−２０＞方向に沿って溝が形成されることの優位性は、溝が窒化物半導体下地層で埋められたときに溝の上方領域における窒化物半導体下地層の表面モフォロジがよいことである。この方向に沿って形成された溝内に窒化物半導体下地層が成長する場合、溝の側壁面には主に｛１−１０１｝面が成長しながら、その溝が窒化物半導体下地層で被覆される。この｛１−１０１｝側壁面は非常に平坦で、この側壁面と丘上面とが接するエッジ部も非常に急峻である。したがって、＜１１−２０＞方向に沿って形成された溝は、図２（ｂ）に示されているように上方から見れば、ほとんど蛇行することなく窒化物半導体下地層で被覆される。このように被覆された溝の上方の領域において、窒化物半導体下地層の表面モフォロジが非常に良好になる。窒化物半導体膜からなる下地層の表面モフォロジが良好であれば、領域Ｉに形成された電流狭窄部を有する窒化物半導体レーザ素子の素子不良が低減するので好ましい。
【００４２】
前述の溝または丘はすべてストライプ状であったが、ストライプ状であることは以下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の電流狭窄部分はストライプ状であり、電流狭窄部分の最適位置（領域ＩとＩＩ）もストライプ状であれば、その電流狭窄部分をその好ましい領域ＩとＩＩ内に作り込むことが容易になる。
【００４３】
（窒化物半導体下地層について）
加工基板を被覆する窒化物半導体膜からなる下地層としては、たとえばＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＩｎＧａＮ膜などを用いることができる。また、窒化物半導体下地層中には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくともいずれかの不純物が添加されてもよい。
【００４４】
窒化物半導体下地層がＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。すなわち、ＧａＮ膜は２元混晶であるので、結晶成長の制御性が良好である。また、ＧａＮ膜の表面マイグレーション長はＡｌＧａＮ膜に比べて長く、ＩｎＧａＮ膜に比べて短いので、溝と丘を完全かつ平坦に被覆するように適度な横方向成長を得ることができる。窒化物半導体下地層として利用されるＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内にあることが好ましい。このような濃度範囲で不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面モフォロジが良好になって、発光層の層厚が均一化されて素子特性が向上し得る。
【００４５】
窒化物半導体下地層がＡｌＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＡｌＧａＮ膜においては、Ａｌが含まれているので、ＧａＮ膜やＩｎＧａＮ膜に比べて表面マイグレーション長が短い。表面マイグレーション長が短いということは、加工基板の溝内が窒化物半導体下地層で横方向に被覆されつつも、窒化物半導体下地層が溝の底部に堆積されにくいことを意味する。すなわち、ＡｌＧａＮ膜は溝の側壁から結晶成長が促進されて横方向成長が顕著になり、より一層結晶歪みを緩和させ得る。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ膜のＡｌの組成比ｘは０．０１以上で０．１５以下であることが好ましく、０．０１以上で０．０７以下であることがより好ましい。Ａｌの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、前述の表面マイグレーション長が長くなってしまう可能性がある。他方、Ａｌの組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば、表面マイグレーション長が短くなりすぎて、溝が平坦に埋まりにくくなる可能性がある。なお、ＡｌＧａＮ膜に限らず、この膜と同様の効果は窒化物半導体下地層にＡｌが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＡｌＧａＮ膜の不純物濃度は、３×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内にあることが好ましい。このような濃度範囲でＡｌと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面マイグレーション長が短くなってより好ましい。このことによって、より一層の結晶歪みを緩和させることが可能になる。
【００４６】
窒化物半導体下地層がＩｎＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＩｎＧａＮ膜においては、Ｉｎが含まれているので、ＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜と比べて弾力性がある。したがって、ＩｎＧａＮ膜は加工基板の溝に埋まって、窒化物半導体基板からの結晶歪みを窒化物半導体下地層全体に拡散させ、溝上方と丘上方の歪みにおける差を緩和させる働きを有する。すなわち、電流狭窄部分が領域ＩまたはＩＩのいずれに形成されるかの違いによるレーザ発振寿命の相違が小さくなり得る。Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ膜のＩｎ組成比ｘは０．０１以上で０．１８以下であることが好ましく、０．０１以上で０．１以下であることがより好ましい。Ｉｎの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、Ｉｎを含むことによる弾性力の効果が得られにくくなる可能性がある。また、Ｉｎの組成比ｘが０．１８よりも大きくなれば、ＩｎＧａＮ膜の結晶性が低下してしまう可能性がある。なお、ＩｎＧａＮ膜に限らず、この膜と同様の効果は、窒化物半導体下地層にＩｎが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＩｎＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０¹⁷〜４×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内にあることが好ましい。このような濃度範囲でＩｎと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面モフォロジが良好になりかつ弾力性を保有し得るので好ましい。
【００４７】
（窒化物半導体下地層の膜厚について）
加工基板が窒化物半導体膜の下地層で完全に被覆されるためには、その窒化物半導体下地層が十分に厚くなければならない。窒化物半導体下地層の厚さは、およそ２μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。被覆膜厚が２μｍよりも薄くなれば、加工基板に形成された溝幅や溝深さにも依存するが、窒化物半導体下地層で溝を完全かつ平坦に埋没させることが困難になり始める。他方、被覆膜厚が２０μｍよりも厚くなれば、加工基板における横方向成長よりも垂直方向（基板主面に対して垂直方向）の成長の方が次第に顕著になり、結晶歪みの緩和効果とクラック抑制効果が十分に発揮されなくなる可能性がある。
【００４８】
［実施形態２］
実施形態２として、被覆加工基板上においてリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子が形成された。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１の場合と同様である。
【００４９】
（被覆加工基板の作製）
図３の模式的な断面図は加工基板上に窒化物半導体膜の下地層が被覆された被覆加工基板を示しており、この加工基板は以下のようにして作製され得る。まず、主面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板の表面に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ_xの誘電体膜を蒸着した。そして、この誘電体膜上に通常のレジスト材を塗布し、リソグラフィ技術を用いてストライプ状のマスクパターンが形成された。このマスクパターンに沿って、ドライエッチング法によって誘電体膜を貫通してｎ型ＧａＮ基板に溝が形成された。その後、レジストと誘電体膜が除去され、加工基板が作製された。こうして形成された溝と丘は、ｎ型ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿っており、溝幅１８μｍ、溝深さ２．５μｍ、および丘幅８μｍを有していた。
【００５０】
作製された加工基板は、十分に有機洗浄されてからＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内に搬入され、被覆膜厚６μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜からなる下地層が積層された。この下地層の形成においては、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた加工基板上にＶ族元素用原料のＮＨ₃（アンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）が供給され、１０５０℃の結晶成長温度において、それらの原料にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加された。
【００５１】
なお、窒化物半導体基板に溝と丘を形成する方法としては、前述の誘電体膜を介さずに直接窒化物半導体基板の表面に通常のレジスト材料を塗布して、その後は前述と同様に作製してもよい。ただし、本発明者らの実験によれば、誘電体膜を介した方が、溝形成時の基板へのダメージ（特に丘の表面）が少なくて好ましかった。
【００５２】
本実施形態ではドライエッチング法による溝形成方法が例示されたが、その他の溝形成方法が用いられてもよいことは言うまでもない。たとえば、ウエットエッチング法、スクライビング法、ワイヤソー加工、放電加工、スパッタリング加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、フォーカスイオンビーム加工などが用いられ得る。
【００５３】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成されたが、＜１１−２０＞方向に沿って溝が形成されてもよい。
【００５４】
本実施形態では、主面として（０００１）面を有するＧａＮ基板が用いられたが、その他の面方位やその他の窒化物半導体基板が用いられてもよい。窒化物半導体基板の面方位に関しては、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、および｛１−１０１｝面などが好ましく用いられ得る。また、これらの面方位から２度以内のオフ角度の主面を有する基板であれば、その表面モフォロジが良好である。
【００５５】
（結晶成長）
図１は被覆加工基板上に成長された窒化物半導体レーザ素子を表わしている。この窒化物半導体レーザは、加工基板（ｎ型ＧａＮ基板）１０１とｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２からなる被覆加工基板１００、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２およびＳｉＯ₂誘電体膜１１３を含んでいる。
【００５６】
ＭＯＣＶＤ装置を用いて、被覆加工基板１００上において、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃（アンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と不純物としてのＳｉＨ₄（シラン）が加えられ、８００℃の結晶成長温度でｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３が厚さ４０ｎｍに成長させられた。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）が用いられて、厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が成長させられ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が厚さ０．１μｍに成長させられた。
【００５７】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層と厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とが交互に積層された発光層（多重量子井戸構造）１０６が形成された。この実施形態では、発光層１０６は障壁層で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構造を有し、３層（３周期）の量子井戸層を含んでいた。また、障壁層と井戸層の両方に、Ｓｉ不純物が１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で添加された。なお、障壁層と井戸層との間または井戸層と障壁層との間に、１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断期間が挿入されてもよい。こうすることによって、各層の平坦性が向上し、発光スペクトルの半値幅が減少するので好ましい。
【００５８】
発光層１０６にＡｓが添加される場合にはＡｓＨ₃（アルシン）またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を用い、Ｐが添加される場合にはＰＨ₃（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）を用い、そしてＳｂが添加される場合にはＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）を用いればよい。また、発光層が形成される際に、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にＮ₂Ｈ₄（ジメチルヒドラジン）が用いられてもよい。
【００５９】
次に、基板が再び１０５０℃まで昇温されて、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次に成長させられた。ｐ型不純物としては、Ｍｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純物濃度は、ｐ電極１１２との界面に近づくに従って増大させることが好ましい。こうすることによって、ｐ電極との界面におけるコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入されてもよい。
【００６０】
このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が成長させられた後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスが窒素キャリアガスとＮＨ₃に変えられ、６０℃／分の冷却速度で基板温度が冷却された。基板温度が８００℃に冷却された時点でＮＨ₃の供給が停止され、５分間だけその基板温度に保持されてから室温まで冷却された。この基板の保持温度は６５０℃から９００℃の間にあることが好ましく、保持時間は３分以上で１０分以下であることが好ましかった。また、室温までの冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ましい。こうして形成された結晶成長膜がラマン測定によって評価された結果、従来のｐ型化アニールが行なわれていなくても、その成長膜は既にｐ型化の特性を示していた（すなわち、Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極１１２を形成したときのコンタクト抵抗も低減していた。これに加えて従来のｐ型化アニールが組合わされれば、Ｍｇの活性化率がさらに向上して好ましかった。
【００６１】
なお、本実施形態による結晶成長方法においては、加工基板から窒化物半導体レーザ素子まで連続して結晶成長させてもよいし、加工基板から被覆加工基板までの成長工程が予め行なわれた後に窒化物半導体レーザ素子を成長させるための再成長が行なわれてもよい。
【００６２】
本実施形態におけるＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であってもよいし、ＩｎＧａＮクラック防止層が省略されてもよい。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合には、ＩｎＧａＮクラック防止層が挿入される方が好ましい。
【００６３】
本実施形態の発光層１０６は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、発光層中の井戸層数は、前述の３層に限られず、１０層以下であればしきい値電流値が低くなって室温連続発振が可能であった。特に、井戸層数が２以上で６以下のときにしきい値電流値が低くなって好ましかった。
【００６４】
本実施形態の発光層１０６においては、井戸層と障壁層の両方にＳｉが１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で添加されたが、Ｓｉが添加されなくてもよい。しかしながら、Ｓｉが発光層に添加された方が、発光強度が強くなった。発光層に添加される不純物としては、Ｓｉに限られず、Ｏ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、およびＭｇの少なくともいずれかが添加されてもよい。また、不純物の総添加量としては、約１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は井戸層と障壁層の両方であることに限られず、これらの片方の層のみに不純物が添加されてもよい。
【００６５】
本実施形態のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．２以外であってもよいし、このキャリアブロック層が省略されてもよい。しかしながら、キャリアブロック層を設けたほうがしきい値電流値が低くなった。これは、キャリアブロック層１０７が発光層１０６内にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層のＡｌ組成比を高くすることは、これによってキャリアの閉じ込めが強くなるので好ましい。逆に、キャリアの閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなって電気抵抗が低くなるので好ましい。
【００６６】
本実施形態では、ｐ型クラッド層１０９とｎ型クラッド層１０４として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いられたが、そのＡｌ組成比は０．１以外であってもよい。そのＡｌの混晶比が高くなれば発光層１０６とのエネルギギャップ差と屈折率差が大きくなり、キャリアや光が発光層内に効率よく閉じ込められ、レーザ発振しきい値電流値の低減が可能になる。逆に、キャリアや光の閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層内でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。
【００６７】
ＡｌＧａＮクラッド層の厚みは０．７μｍ〜１．５μｍの範囲内にあることが好ましく、このことによって垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が増大し、レーザの光学特性の向上とレーザしきい値電流値の低減が可能になる。
【００６８】
クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限られず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓなどの４元混晶であってもよい。また、ｐ型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を含む超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層を含む超格子構造を有していてもよい。
【００６９】
本実施形態ではＭＯＣＶＤ装置による結晶成長法が例示されたが、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用いられてもよい。
【００７０】
（チップ化工程）
前述の結晶成長で形成されたエピウエハ（被覆基板上に多層の窒化物半導体層がエピタキシャル成長させられたウエハ）がＭＯＣＶＤ装置から取出され、レーザ素子に加工される。ここで、窒化物半導体レーザ層が形成されたエピウエハの表面は平坦であり、加工基板に形成された溝と丘は窒化物半導体下地層と発光素子構造層で完全に埋没されていた。
【００７１】
被覆加工基板１００はｎ型導電性の窒化物半導体であるので、その裏面側上にＨｆ／Ａｌの順の積層でｎ電極１１１が形成された（図１参照）。ｎ電極としては、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕなどの積層も用いられ得る。ｎ電極にＨｆが用いられれば、そのコンタクト抵抗が下がるので好ましい。
【００７２】
ｐ電極部分は加工基板１０１の溝方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、これによってリッジストライプ部（図１参照）が形成された。リッジストライプ部はストライプ幅２．０μｍを有し、領域ＩＩＩを避けるように溝中央から４μｍ離れて形成された。その後、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３が蒸着され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の上面がこの誘電体膜から露出されて、その上にｐ電極１１２がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層として蒸着されて形成された。ｐ電極としては、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕなどの積層が用いられてもよい。
【００７３】
最後に、エピウエハはリッジストライプの長手方向に対して垂直方向にへき開され、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器が作製された。共振器長は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内であることが好ましい。溝が＜１−１００＞方向に沿って形成された共振器長のミラー端面は、窒化物半導体結晶のＭ面｛１−１００｝が端面になる。ミラー端面を形成するためのへき開とレーザチップの分割は、加工基板１００の裏面側からスクライバを用いて行なわれた。ただし、へき開はウエハの裏面全体を横断してスクライバによる罫書き傷がつけられてからへき開されるのではなく、ウエハの一部、たとえばウエハの両端のみにスクライバによる罫書き傷がつけられてへき開された。これにより、素子端面の急峻性やスクライブによる削りかすがエピ表面に付着しないので、素子歩留まりが向上する。
【００７４】
なお、レーザ共振器の帰還手法としては、一般に知られているＤＦＢ（分布帰還）、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射）なども用いられ得る。
【００７５】
ファブリ・ペロー共振器のミラー端面が形成された後には、そのミラー端面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体多層反射膜が形成された。この誘電体多層反射膜としては、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃などの多層膜を用いることもできる。
【００７６】
なお、ｎ電極１１１は被覆加工基板１００の裏面上に形成されたが、ドライエッチング法を用いてエピウエハの表側からｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２の一部を露出させて、その露出領域へｎ電極が形成されてもよい。
【００７７】
（パッケージ実装）
得られた半導体レーザ素子チップは、パッケージに実装される。高出力（３０ｍＷ以上）の窒化物半導体レーザ素子を用いる場合、放熱対策に注意を払わなければならない。高出力窒化物半導体レーザ素子はＩｎはんだ材を用いて半導体接合を下側にして接続するほうが好ましい。なお、高出力窒化物半導体レーザ素子は、直接パッケージ本体やヒートシンク部に取付けられ得るが、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＳｉＣ，またはＡｕなどのサブマウントを介して接続されてもよい。
【００７８】
以上のようにして、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子が作製された。
なお、本実施形態ではＧａＮの被覆加工基板１００が用いられたが、他の窒化物半導体の被覆加工基板が用いられてもよい。たとえば、窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層がそのクラッド層の外側に接していることが好ましく、ＡｌＧａＮ基板が好ましく用いられ得る。
【００７９】
本実施形態においては、被覆加工基板上の最適位置に窒化物半導体レーザ素子が形成されることによって、結晶歪みが緩和されてクラックの発生率も低くなり、雰囲気温度６０℃の条件の下で３０ｍＷのレーザ出力で約１５５００時間のレーザ発振寿命が得られた。
【００８０】
［実施形態３］
実施形態３においては、リッジストライプ構造の代わりに電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子（図４参照）が作製された。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、実施形態１および２の場合と同様である。
【００８１】
以下において、本実施形態における電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子が、図８を参照して、より詳細に説明される。このレーザ素子は、被覆加工基板１００、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ第１クラッド層１０９ａ、電流阻止層１２０、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ第２クラッド層１０９ｂ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、およびｐ電極１１２を含んでいる。
【００８２】
電流阻止層１２０は、ｐ電極１１２から注入された電流が図８中の電流阻止層間幅のみを通過するように電流を狭窄する層であればよい。たとえば、電流阻止層１２０として、ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を用いることができる。この電流阻止層Ａｌの組成比は０．２５に限られず、他の値であってもよい。
【００８３】
本実施形態３では、溝幅が１５μｍ、丘幅が７μｍ、溝深さが３μｍ、そして電流阻止層丘幅が１．８μｍに作製された。また、電流阻止層間幅は溝中央から３μｍ離れた位置（すなわち領域Ｉ内）に形成された。そして、本実施形態３において得られた効果は、実施形態１の場合と同様であった。
【００８４】
［実施形態４］
実施形態４においては、実施形態２で述べられた溝と丘が窒化物半導体基礎基板とこの上に積層された窒化物半導体層とを含む窒化物半導体修正基板上に形成されたこと以外は、実施形態１および２と同様である。
【００８５】
本実施形態における被覆加工基板の作製方法では、まず、主面方位が（０００１）面のｎ型ＧａＮ基礎基板がＭＯＣＶＤ装置内に装填された。そのｎ型ＧａＮ基礎基板上にＮＨ₃とＴＭＧａが供給され、比較的低い５５０℃の成長温度の下で低温ＧａＮバッファ層が形成された。そして、成長温度が１０５０℃まで昇温され、その低温ＧａＮバッファ層上にＮＨ₃、ＴＭＧａ、およびＳｉＨ₄が供給されて、ｎ型ＧａＮ層が積層された。このｎ型ＧａＮ層が積層された窒化物半導体修正基板がＭＯＣＶＤ装置から取り出された。ＭＯＣＶＤ装置から取り出された修正基板のｎ型ＧａＮ層の表面に、従来のリソグラフィ技術を用いてストライプ状のマスクパターンが形成された。そして、このマスクパターンに沿ってドライエッチングを用いて溝が形成され、こうして加工基板が完成された。ここで、加工基板に形成された溝と丘は、ｎ型ＧａＮ修正基板の＜１−１００＞方向に沿って、溝幅２０μｍ、溝深さ３μｍおよび丘幅８μｍの寸法で形成された。
【００８６】
この加工基板は十分に有機洗浄され、ＭＯＣＶＤ装置に再び搬入されて、被覆膜厚５μｍのＧａＮ下地層が積層された。このＧａＮ下地層は、ＭＯＣＶＤ装置内のセットされた加工基板上にＶ族元素用原料のＮＨ₃、ＩＩＩ族元素用のＴＭＧａ、およびドーパントのＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が供給されて、１０５０℃の成長温度の下で形成された。こうして、実施形態４における被覆加工基板が完成された。
【００８７】
本実施形態で説明された低温ＧａＮバッファ層は、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層であってもよく、また、この低温バッファ層自体が省略されてもよい。しかし、現在供給されているＧａＮ基板は表面モフォロジが十分には好ましくないので、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層が挿入された方が、表面モフォロジが改善されるので好ましい。なお、低温バッファ層とは、比較的低い約４５０〜６００℃の成長温度で形成されるバッファ層を意味し、この成長温度範囲で形成されたバッファ層は多結晶または非晶質である。
【００８８】
［実施形態５］
実施形態５においては、Ｎの一部と置換すべきＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を発光層に含ませたこと以外は、実施形態１〜３と同様であった。より具体的には、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素が、窒化物半導体レーザ素子の発光層中で少なくとも井戸層のＮの一部に置換して含められた。このとき、井戸層に含まれたＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の組成比をｘとしてＮの組成比をｙとするときに、ｘはｙよりも小さくかつｘ／（ｘ＋ｙ）は０．３（３０％）以下であって、好ましくは０．２（２０％）以下である。また、Ａｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の好ましい濃度の下限値は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であった。
【００８９】
この理由は、置換元素の組成比ｘが２０％よりも高くなれば井戸層内のある領域ごとに置換元素の組成比の異なる濃度分離が生じ始め、さらに組成比ｘが３０％よりも高くなれば濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて、井戸層の結晶性が低下する可能性が高くなるからである。他方、置換元素の総和の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³よりも小さくなれば、井戸層中に置換元素を含有させたことによる効果が得られ難くなるからである。
【００９０】
本実施形態による効果としては、井戸層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を含ませることによって、井戸層中の電子とホールの有効質量が小さくなりかつ移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、小さな有効質量は小さい電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、大きな移動度は発光層中で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たな電子とホールが拡散によって高速で注入され得ることを意味する。すなわち、発光層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子に比べて、本実施形態では、しきい値電流密度が低くかつ自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザを得ることが可能である。
【００９１】
［実施形態６］
実施形態６においては、前述の実施形態による窒化物半導体レーザ素子が光学装置において適用された。前述の実施形態による青紫色（３８０〜４２０ｎｍの発振波長）の窒化物半導体レーザ素子は、種々の光学装置において好ましく利用することができ、たとえば光ピックアップ装置に利用すれば以下の点において好ましい。すなわち、そのような窒化物半導体レーザ素子は、高温雰囲気中（６０℃）において高出力（３０ｍＷ）で安定して動作し、かつレーザ発振寿命が長いことから、信頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（発振波長が短いほど、より高密度の記録再生が可能である）。
【００９２】
図９において、前述の実施形態による窒化物半導体レーザ素子が光学装置に利用された一例として、たとえばＤＶＤ装置のように光ピックアップを含む光ディスク装置が模式的なブロック図で示されている。この光学情報記録再生装置において、窒化物半導体レーザ素子１から射出されたレーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調され、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転させられる。再生時にはディスク７上のビット配列によって光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ９を介して検出器１０で検出され、これによって再生信号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１によって制御される。レーザ素子１の出力については、通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度である。
【００９３】
上述の実施形態によるレーザ素子は上述のような光ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レーザプリンタ、バーコードリーダ、光の３原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクタなどにも利用し得る。
【００９４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒化物半導体レーザ素子において、レーザ発振寿命を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明において被覆加工基板上に形成されたリッジストライプ構造を含む窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】 （ａ）は本発明において用いられ得る窒化物半導体加工基板の一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）はその上面図を示している。
【図３】 本発明において用いられ得る被覆加工基板の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】 （ａ）はリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は電流阻止層構造を有する窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図５】 本発明において用いられ得る被覆加工基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係を示す図である。
【図６】 本発明において用いられ得る被覆加工基板上に形成される電流狭窄部分の好ましい形成領域を示す模式的な断面図である。
【図７】 本発明において用いられる加工基板における溝深さとその加工基板を用いて得られるレーザ素子の発振寿命との関係を示すグラフである。
【図８】 電流阻止層を含む窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】 本発明による窒化物半導体レーザ素子を利用した光ピックアップ装置を含む光学装置の一例を示す模式的なブロック図である。
【符号の説明】
１００ 被覆加工基板、１０１ 加工基板、１０２ ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜、１０３ ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０４ ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６ 発光層、１０７ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層、１０８ ｐ型ＧａＮガイド層、１０９，１０９ａ，１０９ｂ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１ ｎ電極、１１２ ｐ電極、１１３ ＳｉＯ₂誘電体膜、１２０ 電流阻止層。

Claims (11)

1. 窒化物半導体基板の一主面上に形成された溝と丘を含む加工基板と、
   前記加工基板の溝と丘を覆う窒化物半導体下地層と、
   前記窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造とを含み、
   前記溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつ前記丘の幅方向の中央からも１μｍ以上離れた領域の上方に前記発光素子構造の電流狭窄部分が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつその溝の幅内の領域の上方に前記電流狭窄部分が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記溝の幅方向の中央から１μｍ以上離れかつその溝の幅とその溝に隣接する丘の幅にまたがった領域の上方に前記電流狭窄部分が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記溝の幅と前記丘の幅の少なくとも一方が４〜３０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記溝の幅は前記丘の幅より広いことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記の溝の深さは１〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記窒化物半導体下地層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくとも１種の不純物を１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内で含むＧａＮであることを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記窒化物半導体下地層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記窒化物半導体下地層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１８）を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかの項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
11. 請求項１から１０のいずれかの項に記載された窒化物半導体レーザ素子を含むことを特徴とする光学装置。

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