JP4991025B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、短波長の半導体レーザに係り、特に光情報処理分野においてキンクのない高出力での連続発振が可能な窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会の発展とともに、大量の情報を記憶するファイ装置が必要とされ、短波長のレーザ光源は、ＤＶＤ等の大容量メディアの光源として、通信用等の光源として切望されている。また、本出願人は、窒化物半導体レーザ素子で、波長４０３．７ｎｍのシングルモードでの室温における連続発振１万時間以上を達成したことを発表した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したようなレーザ光源としての応用には、レーザ素子の更なる特性向上、特に光学的な特性の向上が必要となる。それは、レーザ光のビーム形状のアスペクト比、遠視野像の改善、光の漏れ防止など、半導体レーザの光導波路の改善が必要となる。
【０００４】
具体的には、上記長寿命のレーザ素子は、リッジ導波路構造の屈折率導波型であり、横モードの制御を高い精度で実現しなければならない。これは、リッジ導波路構造は、エッチングの深さ、ストライプの高さなどにより、実効屈折率が変化するため、このような構造の変化は、素子特性に大きな影響を及ぼすこととなる。上述した従来のレーザ素子では、上述したように、その応用において、十分な光学特性を有しているとはいえず、更にその特性を向上する必要がある。
【０００５】
それは、レーザ光のビーム形状、すなわちＦ．Ｆ．Ｐ．（ファー・フィールド・パターン）でのアスペクト比の改善である。なぜなら、光ディスクシステムやレーザプリンタへの応用には、レーザ光を各光学系により補正・調整されるが、上記アスペクト比がある値以上になければその補正光学系が大規模になり、その設計、製造、またその光学系を経ることによる損失が大きな問題となる。
【０００６】
更には、窒化物半導体発光素子では、従来から問題となっていた光の漏れ対策も必要であり、これはレーザ素子においてリップルとして現れ、レーザ素子の応用において、雑音の問題を生み出すこととなる。
【０００７】
加えて、レーザ素子の生産性の面から、更なる歩留りの向上が必要である。これは、具体的にはストライプ形成時のエッチング深さの制御性に起因する問題である。
【０００８】
本発明では、上述したようなレーザ素子の応用において、問題となる素子特性の向上を達成した窒化物半導体レーザ素子を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記事情に鑑み、ビーム形状の良好なレーザ素子を得るため、導波路を構成する光ガイド層に着目して、ｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の膜厚を異ならせることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記活性層を挟み込むようにｎ側光ガイド層とｐ側光ガイド層とを設けて導波路を形成し、該導波路を挟み込むようにｎ側クラッド層とｐ側クラッド層とを設け、前記ｐ側光ガイド層にストライプ状の突出部がエッチングにより設けられることでストライプ状の導波路領域を有し、前記ｐ側光ガイド層が、ｎ側光ガイド層の膜厚より厚く形成されており、前記ｐ側光ガイド層の前記突出部における膜厚が１μｍ以下であり、かつ、前記ｐ側光ガイド層のエッチングされた残りの膜厚が５００Å以上であり、前記突出部の上面以外の領域であって、該突出部の側面であるｐ側光ガイド層の表面に、保護膜を有し、前記保護膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、又はＳｉＯ _２ 、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成されることを特徴とする。このことにより、閾値電流を上昇させることなく、良好な光閉込め効果を実現し、リップルを減少させる。また、製造においては、エッチングによりストライプ状の導波路などを形成する際に、ｐ側光ガイド層の位置までをエッチング深さとする場合には、従来に比べて、エッチング精度が増すため好ましい。
【００１１】
前記ｐ側光ガイド層のストライプ状の突出部を有すると共に、該突出部の上にｐ型窒化物半導体層を有し、該ｐ側光ガイド層の突出部の膜厚が１μｍ以下であることを特徴とする。このことにより、ストライプ状の導波路領域が形成され、良好な横モードの制御が可能となり、具体的には実効的な屈折率差が効果的に形成されるため、取り出される光のビーム形状、特に接合面に平行な方向でのファー・フィールド・パターンの光の広がりが従来に比べて向上し、アスペクト比も素子の応用において良好なものである。更に、このような光学特性の向上は、従来と同程度以上の閾値電流を低く抑え、長寿命での発振を可能とし、従来の発振に関する諸特性を維持して、実現されるものである。
【００１２】
前記ｐ側光ガイド層の突出部及び、該突出部上のｐ型窒化物半導体層が、ｐ型窒化物半導体層側からエッチングすることにより形成されたストライプ状のリッジ導波路であることを特徴とする。ｐ側光ガイド層に形成されるリッジ導波路であることから、良好な閾値電流の低減、長寿命、単一モードでの安定した発振を実現し、且つ横モードの閉じ込めが良好で、アスペクト比の良好なレーザ光得られるリッジ導波路構造のレーザ素子である。
【００１３】
前記ｐ側光ガイド層の膜厚が、２５００Å（オングストローム）以上であることにより、レーザ光の導波において、より効果的な実効屈折率が働き、水平横モードの閉じ込めがより効果的となり、安定して良好なアスペクト比のレーザ光が得られる。
【００１４】
前記ｐ側光ガイド層は、突出部以外の領域における膜厚が、５００Å以上１０００Å以下であること、安定してレーザ素子の製造され、素子ばらつきの少なく、製造歩留りの向上が実現できる。
【００１５】
前記突出部のストライプ幅が、１μｍ以上３μｍ以下であることにより、良好な横モードの制御を可能とし、特に単一モードでの発振を可能とし、高出力でもキンクなどの発生を抑えられたものである。
【００１６】
前記ｐ側光ガイド層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）であることにより、良好な光導波路形成され、より素子特性に優れたレーザ素子となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１に示す、具体例を用いて説明する。本発明の窒化物半導体レーザ素子は、具体的には基板上に、ｎ型窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層と、活性層、ｐ型窒化物半導体からなるｐ側光ガイド層とを積層した構造を有し、この時ｐ側光ガイド層の膜厚がｎ側光ガイド層の膜厚より厚いことである。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性層をｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層とで挟み込む構造で導波路を構成し、ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層の膜厚より厚いことで、良好なレーザ光を有するものである。これは、活性層を挟むｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の膜厚が異なることにより、膜厚方向において光分布が利得分布からずれ、従来とは横モードの制御において変化を持たせることにより、良好なレーザ光を取り出すことにある。また、光の閉じ込めにおいても、その効果が増し、リップルの発生を抑制する。
【００１９】
（ストライプ状の導波路領域）
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、上述した光ガイド層の膜厚が活性層を挟んで非対称であることに加えて、ストライプ状の導波路領域を設けることでより横モードの制御された、屈折率導波型の構造を有するものである。すなわち、基板上に、ｎ型窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ側光ガイド層とが積層された構造で、ｐ側光ガイド層がストライプ状の突出部を有し、ストライプ状の導波路領域を有するものである。さらには本発明のレーザ素子は、その突出部の上にｐ型窒化物半導体層が形成されたレーザ素子である。具体的にはこのようにストライプ状の導波路領域を有するものであり、屈折率導波型のレーザ素子である。
【００２０】
（エッチング深さ）
上記本発明のレーザ素子は、具体的には、ｎ型窒化物半導体からなるｎ側光ガイド層、活性層、ｐ型窒化物半導体からなるｐ側光ガイド層、更にその上にｐ型窒化物半導体層を積層した後、ｐ型窒化物半導体層側からエッチングにより、ｐ型窒化物半導体層、ｐ側光ガイド層の一部を除去して、ストライプ構造を形成する。このとき、側光ガイド層の突出部の高さは、エッチングする深さにより決定されるため、後述するように、従来に比べてエッチング深さの制御性が向上する。また、エッチングの深さは、活性層に達しない深さであることが重要であり、本発明においてはｐ側光ガイド層の位置まで、エッチングする。
【００２１】
本発明において、上記ｐ側光ガイド層の突出部、若しくはストライプ状のリッジ導波路の形状としては、順メサ型、逆メサ型形状に限定されないが、順メサ形状とすることで、良好な横モードの制御が実現できる傾向にあり好ましい。
【００２２】
（エッチング手段）
上述したｐ側光ガイド層若しくはリッジ導波路の形成等、窒化物半導体をエッチングするには、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、例えばドライエッチングとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングすることができる。
【００２３】
（光ガイド層）
ｎ側光ガイド層とｐ側光ガイド層とで活性層を挟み込む構造でもって、導波路を成すものである。本発明のレーザ素子は、ｐ側光ガイド層にストライプ状の突出部が設けられることにより、ストライプ状の導波路領域を有するものである。
【００２４】
（ｐ側光ガイド層）
本発明において、活性層を挟むｎ側光ガイド層、ｐ側光ガイド層は、その膜厚が異なり、ｐ側光ガイド層の膜厚を厚くすることにある。更に好ましくは、ｐ側光ガイド層は、ストライプ状の突出部を有するものであり、具体的にはこの突出部の上に、ｐ型窒化物半導体層が形成され、ストライプ状の導波路領域を有するレーザ素子を形成するものである。具体的には、ｐ側光ガイド層でリッジ導波路を形成したレーザ素子である。また、この突出部は上述したように、具体的にはｐ型窒化物半導体層側からエッチングすることにより形成され、ｐ側光ガイド層の膜内で、エッチングストップすることで、形成する。ここで、ｐ側光ガイド層の膜厚は、ｐ側光ガイド層を成長させる際の膜厚に当たり、ｐ側光ガイド層形成後に上記エッチングにより突出部を形成する場合には、所定の膜厚のｐ側光ガイド層の一部を除去して形成するため、突出部の膜厚がｐ側光ガイド層の膜厚となる。この時、ｐ側光ガイド層が１μｍを超える膜厚であると、閾値が大幅に向上し、レーザ発振が極めて困難となり、例え発振しても素子寿命の極めて短いレーザ素子となるため、好ましくはｐ側光ガイド層の膜厚を１μｍ以下とする。更に好ましくは、ｐ側光ガイド層の膜厚、すなわち突出部の膜厚を、１５００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、１５００Åより薄いと、レーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．が良好とはならず、また５０００Åを超える膜厚であると、発振しきい電流が上昇する傾向にあるからである。具体的には、１５００Åより薄いと、水平横モードの制御が十分になされず、そのＦ．Ｆ．Ｐ．は、ｘ方向に１０°以上のビーム形状となり、結果として、アスペクト比が２．０を超えるものとなる。この時、特に本発明において、ｐ側光ガイド層の膜厚が、２５００Å以上になると、活性層を挟むガイド層の膜厚が同じである場合に比べて、閾値電流の上昇を低く抑える傾向が確認され、本発明のようにｐ側光ガイド層の膜厚が厚く非対称な導波路を有することが有利に働く傾向がある。
【００２５】
また、エッチングにより、上記リッジ導波路、突出部を形成する際には、生産性も考慮しなければならない。これは、エッチングの深さがますにつれて、その精度、例えばウェーハ内での素子間のばらつきが多く発生するようになり、これをそれを回避する必要がある。具体的には、０．７μｍを超える深さでエッチングして、上記ストライプ状の突出部（リッジ構造）を形成すると、上記問題が急激に発生する傾向にあり、これよりも浅くエッチングすることが好ましい。すなわち、これは、本発明において、リッジの高さを調整するものであり、上記範囲内でレーザ素子を形成することが好ましい。ここで、突出部の高さとは、具体的には、上記突出部以外の領域におけるｐ側光ガイド層の平面、すなわちエッチングにより露出され突出部の側面に連続した平面から、突出部まで、リッジの高さはその突出部の上に形成されたｐ型窒化物半導体層までで、その膜厚方向での高さを指し、ｐ型窒化物半導体層の最上面がエッチング開始位置である。
【００２６】
（突出部の高さ）
更に、本発明の上記ｐ側光ガイド層において、突出部の高さを高くすると、発振しきい電流が下がる傾向にあり、好ましい。すなわち、これは、エッチングが深くなるにつれて、出力の安定性を増加させるものであり、レーザ素子の応用に多大に寄与するものである。すなわち、出力が増加しても、単一モードでの安定した発振を実現し、発振しきい電流が良好なため素子劣化を大幅に抑制し、長寿命での連続発振を実現する効果がある。前記ｐ側光ガイド層において、突出部の高さが１００Å以上であることにより、良好なビーム形状有するレーザ素子が得られ、好ましくは、５００Å以上であり、その出力において、高出力でも単一モード発振が可能である。そのため、レーザ素子の応用において必要とされる素子の信頼性を十分に確保されたものである。
【００２７】
以上に加えて、エッチングにより形成する場合には、エッチングにより露出される表面の平坦性も考慮すると、更に、好ましい。これは、エッチングにより、上記ストライプ状の突出部を形成する際に、そのエッチングにより露出されたｐ側光ガイド層の表面の位置が、膜厚方向であって、素子間のばらつきを生む程度の領域において、ばらつきがあるため、それを考慮する必要がある。具体的には、ｐ側光ガイド層を膜厚５００Å以上、好ましくは５００以上１０００Å以下の範囲残す深さでエッチングして、上記ｐ側光ガイド層の突出部を形成することである。これは、膜厚５００Å以上の残る深さであると、ｐ側光ガイド層よりも深くエッチングされることが、ほぼなくなり、良好な精度で突出部が形成される。また、１０００Å以上であると、上述した発振しきい電流の上昇がみられ、さらに横モードの制御性に劣る傾向にある。
【００２８】
本発明において、ｐ側光ガイド層の組成としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体からなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していれば良く、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。例えば、波長３７０〜４８０nmではアンドープのＧａＮを用い、それよりも長波長ではＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることである。
【００２９】
また、本発明において、ｎ側光ガイド層と、ｐ側光ガイド層とで活性層を挟み込む構造により構成される導波路は、その膜厚の総和、すなわち両ガイド層で挟まれる領域の膜厚が、好ましくは５０００Å以下、更に好ましくは、４５００Å以下とすることである。なぜなら、上記導波路の膜厚の総和が、５０００Åを超えると閾値が上昇し、更に７０００Åを超えると急激に発振しきい電流が増大し、基本モードでの連続発振が極めて困難になるためであり、４５００Å以下であると、そのような発振しきい電流の上昇は抑えられ、基本モード、且つ長寿命での連続発振が可能である。
【００３０】
本発明において、ｎ側光ガイド層はｐ側光ガイド層の膜厚より薄いこと以外には特に限定されるものでなく、両光ガイド層で活性層を挟み込む構造として導波路とすることである。また、ｎ側光ガイド層として具体的には、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、具体的にはアンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮと、ＧａＮとを交互に積層した多層膜等がある。ここで、ＩｎＧａＮとは、ＧａＮにＩｎが含まれる三元混晶のことである。
【００３１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、上記ｐ側光ガイド層の上に形成されるｐ型窒化物半導体層としては、具体的には、実施例に示すようにｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層などを積層したものである。そのため、本発明では、ｐ側光ガイド層の突出部の上に形成されたｐ型窒化物半導体層は、ストライプ状に形成されており、リッジ導波路を形成する。
【００３２】
本発明において、光ガイド層と活性層との間に、キャップ層を形成しても良い。例えば、活性層とｐ側光ガイド層との間に、ｐ型不純物をドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｐ側キャップ層を形成することである。この時、ストライプ状のリッジ導波路を、ｐ側キャップ層に達する深さで形成されると、素子寿命が低下する傾向にあり好ましくなく、このような場合にも上述したように、ｐ側光ガイド層にストライプ状の突出部を設けるように、リッジ導波路を形成することが好ましい。
【００３３】
以上のような活性層と光ガイド層とで導波路を形成する、若しくはそれにキャップ層を有する導波路について、具体的な実施形態としては、後述の実施例、変形例１〜３、図５〜７に示すものがある。光ガイド層は、活性層を挟む構造で、ｐ型導電層側、ｎ型導電層側にそれぞれ設けられ、この両光ガイド層で挟まれる領域でもって、光導波路領域を成すものである。
【００３４】
また、上述の活性層とｐ側クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ側光ガイド層との間に設けられるｐ側キャップ層は、閾値電流を低下させ、そのことによる容易な発振に寄与し、加えて活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層である。このｐ側キャップ層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純物をドープしたものとすることで上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。また、膜厚としては、５００Å以下で形成し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成としては、ｘが０より大きく、好ましくは０．２以上とする事で上記効果が十分に期待できる。
【００３５】
本発明において、リッジ導波路のストライプ幅、若しくはｐ側光ガイド層においては突出部のストライプ幅が、１μｍ以上３μｍ以下の範囲にあると、良好な横モードの制御が可能となる。これは、上記範囲であると、単一横モードでの発振が比較的良好に実現され、また上記ｐ側光ガイド層でリッジ導波路が形成されることで、安定、且つ精度の良いビーム形状の制御（良好なＦ．Ｆ．Ｐ．）を実現することができる。この時、１μｍ未満であると、ストライプ状のリッジ構造若しくは上記突出部の形成が製造上困難となり、歩留りが低下し、３μｍを超えると水平横モードの制御が困難になる傾向を示す。
【００３６】
本発明における窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦x≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、窒化ガリウムの他に、３元系、４元系の混晶などがある。本発明では、上記、基板上に積層するレーザ素子構造を、実施例で示すように、上記組成式で表される窒化物半導体からなるものとすることが、上述したレーザ光の横モード、ビーム形状の制御が最も好ましくなる傾向にある。
【００３７】
ここで、Ｆ．Ｆ．Ｐ．における水平方向（ｘ方向）とは、接合面（若しくはｐｎ接合面）に平行な方向を示すものであり、図２における遠視野像（Ｆ．Ｆ．Ｐ．）１０１のｘ方向１０２であり、その方向における横モードを水平横モードと記す。
【００３８】
（作用・効果）
本発明は、活性層を挟む光ガイド層の内、ｐ側光ガイド層をｎ側光ガイド層との膜厚より厚くした非対称な構造を有し、両光ガイド層で挟まれる導波路領域内における光分布を、従来のレーザ素子と比べてずらして、すなわち、光分布と利得分布をずらすことで、横モードを従来とは異なる方法で制御し、所望のビーム形状のレーザ光を得るものである。
【００３９】
好ましくは、ｐ側光ガイド層がストライプ状の突出部を有することであり、このことで、上述したようにストライプ状の導波路領域を形成し、実効的な屈折率分布を形成するものである。具体的には、図２に観るように、ストライプ状の突出部有するｐ側光ガイド層９側に、出射光であるレーザスポット１０３が偏り、良好な水平横モードの制御が実現されている。このことにより、従来のストライプ構造のレーザ素子では、Ｆ．Ｆ．Ｐ．の水平方向（ｘ方向）では狭く、アスペクト比も３以上のものであったが、本発明ではこの水平方向の横モードが良好に制御されているため、従来に比べて格段にアスペクト比も良好なものとなる。
【００４０】
また、本発明において、活性層がＩｎを含む窒化物半導体、例えばＩｎＧａＮの三元混晶、である場合には、活性層での発光が活性層内のＩｎにより、光が散乱されることを考慮しなければならない。すなわち、活性層からの光は、活性層内の光散乱物質であるＩｎにより、損失を受け、これが出力の向上を妨げる原意ともなる。本発明のレーザ素子では、上述したように、活性層挟む光ガイド層の内、ｐ側光ガイド層の膜厚が厚いことにより、従来とは異なった導波によりレーザ光が得られるため、上記光散乱物質による損失が減少して、光ガイド層の膜厚が厚くなることによる、閾値電流の上昇を補填するようなレーザ素子となる。これは主に、膜厚方向における導波路内での光分布が利得分布からずれることで、上記光散乱物質に有する領域（活性層）からずれた所に、光が分布して導波することによる。このため、上記光の散乱による損失が減少し、結果として、従来と同等若しくはそれ以下の閾値電流で発振が可能になるものと思われる。このことで、従来より光ガイド層の膜厚、特にｐ側光ガイド層の膜厚が厚くなることにより閾値電流の上昇する傾向を抑え、本発明では上記光散乱の損失が減少することにより、閾値を従来と同程度の状態で、レーザのビーム形状の良好なレーザ素子が得られる。
【００４１】
また、図２において、従来は、出射面におけるスポット形状１０３が、接合面に平行な方向に広がっており、Ｆ．Ｆ．Ｐ．でのｘ方向１０２は、１０°以下と狭く、アスペクト比も悪いものであった。しかし、本発明では、図に示すように、スポット形状の長手方向は従来と同様に水平方向にあるが、その長手方向の広がりは、狭くなり、Ｆ．Ｆ．Ｐ．１０１のｘ方向は従来より広く、具体的には１２°〜２０°と良好で、アスペクト比も２．０前後と良好なものとなる。このように、出力特性、素子信頼性を悪化させずに、光学特性を改善するのは、上述したように、ストライプ状の突出部が設けられたｐ側光ガイド層により、良好な実効屈折率を有するストライプ状の導波路領域がレーザ素子に形成されたことによるものである。更にまた、上述したように、従来に比べて、ｐ側光ガイド層の膜厚、若しくはそれにｎ側光ガイド層の膜厚を加えた両ガイド層のトータル膜厚が増すことにより、図における接合面に垂直な方向（ｙ方向）のビーム広がりが、回折効果の減少により抑制され、このことも本発明のレーザ素子における光学特性、特にアスペクト比の改善に寄与している。すなわち、上述したような水平横モードの制御だけでなく、従来に比べて、Ｆ．Ｆ．Ｐ．でのｙ方向の光の広がりが抑えられたことで、従来のような垂直方向に扁平したファー・フィールド・パターン１０１からより真円に近づいたレーザ光が得られる。このように、ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層より膜厚が厚いことで、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるｘ方向だけでなく、ｙ方向へのビーム形状改善への寄与も、本発明の効果を奏するのに重要である。
【００４２】
【実施例】
以下に示す、エッチング深さ、若しくはｐ側光ガイド層のストライプ状の突出部の高さに対する素子特性変化（図４）は、実施例１のレーザ素子をもとに測定されたものであり、活性層を挟む両光ガイド層の内、ｐ側光ガイド層の膜厚が厚い場合におけるものである。
【００４３】
図４は、エッチング深さ、ｐ側キャップ層、ｐ側ガイド層、ｐ側光ガイド層とが積層された構造に対する、閾値電流変化、アスペクト比変化を示すものである。図４から明らかなように、ｐ側光ガイド層に届く深さまで、エッチングしてリッジ構造を形成すること、すなわちｐ側光ガイド層がストライプ状の突出部を有することにより、良好な閾値電流でもって発振が可能であり、得られるレーザ光のアスペクト比も１に近づく傾向にあることを示している。このことは、図２で示すように、ｐ側光ガイド層のストライプ状の突出部側に、出射光が移動するような状態になり、良好な実効屈折率が形成される。このことにより、水平横モードの閉じ込め有効に働き、結果として、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるｘ方向のビーム形状が、１０°以上、好ましくは１２°〜２０°の良好なレーザ光得られ、アスペクト比も良好であるレーザ素子が得られることを示すものである。また、ｐ側光ガイド層の突出部以外の領域における膜厚が薄くなるにつれて、すなわち突出部の高さが高くなるにつれて、閾値電流、アスペクト比共に、低下する傾向も現れているため、好ましくは上述した範囲に突出部の高さとすることである。
【００４４】
［実施例１］
図１は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図でありストライプ状の突出部に垂直な面で切断した際の積層構造を示すものである。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００４５】
ここで、本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここで、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おり、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、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く、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００４６】
基板として、（０００１）Ｃ面を主面とするサファイア基板を用いた。この時、オリフラ面はＡ面であった。窒化物半導体を成長させる基板としては、サファイア（主面がＣ面、Ｒ面、Ａ面）の他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＧａＡｓ等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる機種基板を用いることができる。また、窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【００４７】
（バッファ層２）
１インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００４８】
（下地層３）
バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層３を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において基板として作用する。このように、異種基板上に、窒化物半導体の素子構造を形成する場合には、低温成長バッファ層、窒化物半導体の基板となる下地層を形成すると良い。
【００４９】
（ｎ側コンタクト層４）
次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板１の上に、１０５０℃でＳｉを３×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５０】
（クラック防止層５）
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８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００５１】
（ｎ側クラッド層６）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層７を成長させる。
【００５２】
（ｎ側光ガイド層７）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層８を１０００Åの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層８にｎ型不純物をドープしても良い。
【００５３】
（活性層８）
次に、温度を８００℃にして、ＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を４０Åの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なお障壁層にのみｎ型不純物をドープすると閾値が低下しやすい。
【００５４】
（ｐ側キャップ層９）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層１１よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層７を３００Åの膜厚で成長させる。
【００５５】
（ｐ側光ガイド層１０）
続いてＣｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１０よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１１を２５００Åの膜厚で成長させる。
このｐ側光ガイド層１０は、アンドープ、すなわち意図的にドープしない状態で成長させるが、ｐ側キャップ層、ｐ側クラッド層の隣接する層からのＭｇ拡散が起こり、実際にはＭｇ濃度が５×１０¹⁶／cm³となり、Ｍｇがドープされた層となる。
【００５６】
（ｐ側クラッド層１１）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、アンドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１２を成長させる。ｐ側クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１２を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低く抑えることができる。
【００５７】
（ｐ側コンタクト層１２）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１１の上に、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は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ＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１２は電極を形成する層であるので、１×１０１７／cm３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１７／cm３よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
【００５８】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ２が最適である。
【００５９】
次にストライプ状のリッジ導波路を形成する方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、最上層のｐ側コンタクト層１２のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ２）よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、ストライプ幅２μｍ、厚さ１μｍで形成する。ここで、第１の保護膜６１は、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばＳｉ酸化物（ＳｉＯ２を含む）、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、後に形成する第２の保護膜との溶解度差を設けるために、第２の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Ｓｉ酸化物を好ましく用いる。
【００６０】
次に、図３（ｂ）に示すように第３の保護膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ４ガスを用い、第３の保護膜６３をマスクとして、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図３（ｃ）に示すようにｐ側コンタクト層１２の上にストライプ幅２μｍの第１の保護膜６１が形成できる。
【００６１】
さらに、図３（ｄ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ４ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１２、およびｐ側クラッド層１１、ｐ側光ガイド層１０をエッチングして、ｐ側光ガイド層のエッチングされた領域（突出部以外の領域）における膜厚が１０００Åとなる深さの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。
【００６２】
リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、図３（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる第２の保護膜６２を、第１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ側光ガイド層１１の上（突出部以外の領域）に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【００６３】
ここで、第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み層としてＳｉＯ２よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第１の保護膜６１をＳｉ酸化物とすると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸による選択性を有しているため、図３（ｅ）に示すようにストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平面（エッチストップ層）、及び第１の保護膜６１の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、第１の保護膜６１のみを除去すると、図３（ｆ）に示すような、平面に対して膜厚が均一な第２の保護膜６２を形成することができる。
【００６４】
第２の保護膜６２形成後、ウェーハを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、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃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、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなり、この工程を加えることがさらに望ましい。
【００６５】
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図３（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法により除去する。
【００６６】
次に図３（ｇ）に示すように、ｐ側コンタクト層１２の上の第１の保護膜６１が除去されて露出したそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜６２の上に渡って形成する。第２の保護膜形成後、既に露出させたｎ側コンタクト層５の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００６７】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極２２，２３をそれぞれ設けた。
【００６８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面（（１１−００）面、六方晶系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。この共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１に示すようなレーザ素子とする。なおこの時の共振器長は８００μｍであった。
【００６９】
このレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれのパット電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、発振しきい電流密度２．９ｋＡ／cm２において単一横モードでの室温連続発振を示した。次に、レーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．を測定したところ、水平方向で１６°〜２０°の良好な水平横モードが得られた。また、水平横モードは、比較例１とほぼ同程度に良好で、アスペクト比は、２であった。加えて、厚膜の光ガイド層により、光の閉じ込めが良好となり、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できた。
【００７０】
［実施例２］
ｎ側光ガイド層の膜厚が、２０００Åであることを除いて、実施例１と同様に、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、横モードの制御に僅かに劣り、Ｆ．Ｆ．Ｐ．のｘ方向は、１４°で、アスペクト比は２であるが、比較例１に比べて大幅に向上しているものである。アスペクト比が２．５以下であるため、光情報機器への応用がより簡単なものとなる。また、光の閉じ込めについては、実施例１と同様に良好で、リップルの発生も大幅に減少していた。出力特性については、ｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層に挟まれる導波路領域の膜厚が、５０００Å以上となるため、実施例１に比べて閾値電流が上昇しており、素子も実施例１に比べて劣るものであった。
【００７１】
［実施例３］
ｐ側光ガイド層の膜厚を、３０００Å、突出部以外の領域における膜厚が１０００Å、すなわちエッチングをｐ側光ガイド層の膜厚が１０００Åとなる深さで実施する他は実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、同程度に良好なレーザ光が得られ、Ｆ．Ｆ．Ｐ．のｘ方向のビームの広がりは、１８°であり、アスペクト比も１．４と実用に十分なものであった。更に、ｐ側光ガイド層の膜厚を３５００Åとして、ｐ側光ガイド層の突出部の高さを２５００Å（突出部以外の領域の膜厚を１０００Å）としたところ、閾値電流の上昇があり、素子寿命も低下する傾向にあったが、出射される光のビーム形状については、ほぼ同程度のものであった。これは、活性層を挟む両光ガイド層の膜厚の総和が、５０００Åを超えたことによる影響と思われる。
【００７２】
［実施例４］
ｐ側光ガイド層の突出部のストライプ幅、すなわちストライプ状のリッジ導波路の幅を３μｍとする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、実施例１に比べて、水平横モードの制御が劣るものとなり、Ｆ．Ｆ．Ｐ．のアスペクト比は２と、実施例１に比べて劣るものであった。また、実施例１に比べて単一横モードでの発振の安定性に劣り、キンクの発生する不良品となる素子の割合が高くなる傾向にあった。このため、更に好ましくはストライプ幅は２μｍ±０．５μｍ（１．５μｍ以上２．５μｍ以下）の範囲にあることで、横モードの制御性に素子ばらつきが少なく、レーザ光のアスペクト比も良好で、単一モード発振のレーザ素子が得られる。
【００７３】
［実施例６］
本発明の一実施形態として、実施例１よりも長波長、具体的には４８０nm以上の長波長のレーザ素子について以下説明する。Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１の上に、実施例１と同様にＧａＮよりなるバッファ層２を２００Å、アンドープＧａＮよりなる下地層３を４μｍを成長させ、その上にＳｉを１×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４を４．５μｍ、ＳｉドープのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる中間層５を成長させる。この時、中間層は、省略が可能である。
【００７４】
（ｎ側クラッド層６）
次に、ＴＭＧ、アンモニア、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を流し、１０５０℃にしてアンドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０１９／cm３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚０．２μｍ〜１．５μｍ、好ましくは０．７μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層６を成長させる。ｎ側クラッド層は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。超格子とした場合、不純物はいずれか一方の層に多くをドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。
【００７５】
（ｎ側光ガイド層７）
続いて、シランガスを止め、ＴＭＩを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０℃でアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる層を１０Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＩを止めて、アンドープＧａＮよりなる層を１０Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚５０Å〜２５００Å、好ましくは５００Å〜８００Å、更に好ましくは７５０Åの超格子よりなるｎ側光ガイド層７を成長させる。
【００７６】
（活性層８）
続いて、ＴＭＩを流し、７５０℃〜８５０℃、好ましくは８２０℃でアンドープＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎからなる井戸層を３０Å、アンドープＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるキャップ層を１０Å、続いて８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０℃でアンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるバリア層を６０Å成長させ、これを１ペアとして合計６ペア積層した活性層８を成長させる。
【００７７】
（ｐ側キャップ層９）
次にＴＭＩを止め、ＴＭＡを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０℃で、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるキャップ層９を１０Å以上、０．１μｍ以下、好ましくは１００Åの膜厚で成長させる。
【００７８】
（ｐ側光ガイド層１０）
続いて、ＴＭＡを止め、ＴＭＩを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０℃で、アンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる層を１０Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＩを止めて、Ｍｇを１×１０１８〜３×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなる層を１０Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚５０Å〜２５００Å、好ましくは５００Å〜８００Å、更に好ましくは７５０Åの超格子よりなるｐ側光ガイド層１０を成長させる。
【００７９】
（ｐ側クラッド層１１）
続いて、ＴＭＡを流して、８５０℃〜１０５０℃でアンドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、Ｍｇを３×１０１８〜５×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子構造を構成し、総膜厚０．２μｍ〜１．５μｍ、好ましくは０．７μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層１１を成長させる。
【００８０】
（ｐ側コンタクト層１２）
最後に、８５０℃〜１０５０℃でｐ側クラッド層１０の上に、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ、ＩｎＧａＮ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。コンタクト層１２は電極を構成する層であるので、１×１０１８／cm３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１８／cm３より低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを含む超格子とすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
【００８１】
以上の各層を積層した後、実施例１と同様に、エッチングして、ｎ側コンタクト層４の表面を露出させ、更にストライプ状のリッジ導波路を形成して、ｎ電極２１，ｐ電極２０、誘電体多層膜６４、取り出し電極２２，２３を形成して、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm２、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４８０ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。また、そのレーザ光は、Ｆ．Ｆ．Ｐ．において、ビーム形状の水平方向（ｘ方向）が広く１７°程度であり、アスペクト比も１．５程度と良好なものであった。長波長のレーザ素子でも、良好なレーザ光で、発振しきい電流も低く良好なもので、寿命特性も良好なものが得られる。
【００８２】
［比較例１］
ｐ側光ガイド層、及びｎ側光ガイド層の膜厚が、１０００Åであることを除いて、実施例１と同様にレーザ素子を形成した。得られたレーザ素子は、同程度の発振しきい電流であったが、Ｆ．Ｆ．Ｐ．において、ｘ方向の広がりが狭く８°程度であり、そのアスペクト比も３．２程度であった。
【００８３】
［参考例１]
参考例として、基板の上に表１に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各層を順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図５に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深さである。
【００８４】
【表１】

【００８５】
得られるレーザ素子は、光ガイド層とｐ側キャップ層を有しているレーザ素子に比べて、駆動電流が大幅に上昇する傾向にあり、１００ｍＡ近傍のものもあった。
【００８６】
［参考例２］
参考例として、基板の上に表２に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層まで順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図６に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深さである。
【００８７】
【表２】

【００８８】
得られるレーザ素子は、参考例１に比べて、駆動電流が１０〜２０ｍＡ程度低くなる傾向にある。
【００８９】
［変形例１］
変形例として、基板の上に表３に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各層順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコンタクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図７に示すレーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際のエッチング深さとしては、具体的にはｐ側クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深さである。好ましくは、上述したように、ストライプ状のリッジ導波路がｐ側光ガイド層２１０に達する深さで形成し、さらに具体的には実施例１と同様に、膜厚１０００Åとなる深さで形成する。
【００９０】
【表３】

【００９１】
得られるレーザ素子は、ｐ側キャップ層を有するレーザ素子に比べて、駆動電圧Ｖｆが、下がる傾向にあるものの、閾値電流が５〜６倍に上昇する傾向にあり、得られるレーザ素子の多くがレーザ発振を示さない傾向にある。また、ｐ側光ガイド層の膜厚を２．５μｍ、ｎ側光ガイド層の膜厚を１．５μｍとして、ｐ側光ガイド層をｎ側よりも厚くして得られるレーザ素子は、上記に加えて、ストライプ状の導波路による横モードの制御が良好なものとなり、アスペクト比などの光学特性に優れるレーザ素子が得られる。このように、両光ガイド層の膜厚差が、１μｍであると、上述した光分布がｐ側光ガイド層側に偏らせることによるモード制御性向上の効果が、十分に得られる傾向にある。この両光ガイド層の膜厚差としては、５００Å以上であれば前記傾向がみられる。
【００９２】
（長波長域のレーザ素子）
本発明のレーザ素子において、４５０ｎｍ以上、具体的には４５０以上５２０ｎｍ以下の、青色〜緑色の長波長領域では、以下の層構成とすることが好ましい。ただし、本発明は、この波長域に限定されるものではない。
長波長域において、活性層として、井戸層、障壁層に加えて、その間に中間層を設けることが発振特性の向上につながり好ましい。
【００９３】
短波長域、具体的には４５０ｎｍ以下の波長域、に用いる活性層では、ＩｎＧａＮからなる井戸層、その井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい障壁層で挟んだ量子井戸構造で、具体的にはＩｎＧａＮからなる井戸層とその井戸層とは混晶比若しくは組成の異なるＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層を用いる。このような構造として、障壁層／井戸層／障壁層の単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、井戸層と障壁層とを繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が用いられている。しかし、この井戸層と障壁層とは、混晶比もしくは組成が異なるため、それぞれの層成長時に適した温度が異なることとなり、その成長が困難な傾向になる。この場合、井戸層の上に、それよりも成長温度を高くして障壁層を成長することとなる。これは、Ｉｎを有する井戸層において、障壁層成長時の昇温過程で、Ｉｎの分解が発生し、発光ピークの鋭いものが得られなくなる。また、障壁層を井戸層とほぼ同じ温度で形成したとしても、活性層の形成後に続く、他の層（クラッド層、ガイド層）を形成する際にも、良好な結晶成長のためには昇温過程が必要となる。このような成長困難性は、発振波長が長くなるにつれて、顕著なものとなる傾向にあり、上記長波長域では中間層を設けることが好ましい。
【００９４】
このため、上記中間層を介することで、上記昇温による問題を解決できる。この中間層を設けることで、上記Ｉｎの分解を部分的なものとして観察される傾向にあり、また中間層そのもののが凹凸を呈する表面形態として観察される傾向にあり、これらのことが駆動電圧や閾値電圧の大幅な低下に寄与しているものと考えられる。この中間層は、井戸層と障壁層との間に設けるものであり、そのバンドギャップエネルギーが、障壁層よりも大きいものである。この中間層は、活性層がＭＱＷである場合には、少なくとも１層の井戸層上に設ける必要があり、全ての井戸層の上に設けることで、井戸層上の障壁層の全てについて上記問題が解決でき好ましい。
【００９５】
また、中間層の膜厚としては、障壁層の膜厚より薄くして、１原子層以上１００Å以下の範囲とすることが好ましい。これは膜厚が１００Å以上となることで、中間層と障壁層との間にミニバンドが形成され、発振特性が悪化する傾向にあるためである。この時の障壁層としては、１０Å以上４００Å以下の範囲とする。更に、中間層の組成として、好ましくはＡｌ_uＧａ_1-uＮ（０≦ｕ≦１）とすることで、上記Ｉｎの部分的な分解、中間層の表面形態による駆動電圧や閾値電圧の低下傾向を示し、更に好ましくは、Ａｌ_vＧａ_1-vＮ（０．３≦ｖ≦１）とすることで上記各電圧の低下を大きくすることができる。
【００９６】
［変形例２］
基板上に、以下の表４に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層を順に積層して、レーザ素子構造を形成した。次に、ストライプ幅１．８μｍ、ｐ側コンタクト層側からｐ側光ガイド層の膜厚が５００Åとなる深さまで、エッチングすることで、ストライプ状のリッジ導波路を形成し、その他は実施例と同様に、更にエッチングによりｎ側コンタクト層を露出させ、各コンタクト層の上に、ｐ，ｎ電極を形成して、チップを取り出して図８に示すようなレーザ素子を得た。なお、図中２０８ａは中間層、２０８ｂは井戸層、２０８ｃは障壁層を示すものであり、図８は、活性層２０８の構造を拡大して模式的に示している。
【００９７】
【表４】

【００９８】
得られたレーザ素子は、波長４５０nmであり、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／cm²、で１０００時間以上の連続発振が確認された。これは、ストライプ状の導波路形成時のエッチング深さが、ｐ側光ガイド層に達しない深さのレーザ素子に比べても、横モードの制御性、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるアスペクト比に優れたものが得られる。また、ｐ側光ガイド層を１３００Åとして、ｎ側光ガイド層との膜厚差を十分なものとすることで、更に好ましいレーザ素子を得ることができる。
【００９９】
［変形例３］
基板上に積層する素子構造が、以下の表５の通りであることを除いて、変形例２と同様にして、レーザ素子を得る。
【０１００】
【表５】

【０１０１】
得られるレーザ素子は、発振波長が510nmであり、良好なレーザ素子が得られる。変形例２に比べて、活性層をＭＱＷからＳＱＷとしたことによる素子特性の低下は僅かなものとなる傾向にあるが、活性層中の中間層がＧａＮであることにより、中間層を設けることによる効果が低くなる傾向がみられる。しかしながら、変形例２と同様に、本発明のストライプ状の導波路を有することで、横モードの安定性、素子寿命に優れたレーザ素子が得られ、長波長域にも本発明は適用できる。また、ｐ側光ガイド層を１３００Åとして、ｎ側光ガイド層との膜厚差を十分なものとすることで、更に好ましいレーザ素子を得ることができる。
【０１０２】
［変形例４］
実施例１と同様に、異種基板上にバッファ層、下地層を形成した後、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm²ドープしたＧａＮを１００μｍの膜厚で成長させる。続いて、ウエハの裏面、すなわち、窒化物半導体を成長させた異種基板の主面に対向する面側から、研磨して、基板を除去し、窒化物半導体のみとする。
次に、基板除去した面とは反対側の面の窒化物半導体２０４を主面として、図９に示すように、実施例１と同様の、ｎ側クラッド層２０６、ｎ側光ガイド層２０７、活性層２０８、ｐ側キャップ層２０９、ｐ側光ガイド層２１０、ｐ側クラッド層２１１、ｐ側コンタクト層２１２を順に積層する。続いても、実施例１と同様に、７００℃でアニールを行いｐ型導電層を更に低抵抗化し、反応容器からウェーハを取り出し、ＲＩＥ装置に移して、エッチングにより幅約３μｍのストライプ状の導波路を形成する。この時、エッチング深さは、ｐ側光ガイド層の膜厚に達する深さで、その膜厚が５００Åとなる位置となる深さで形成する。つづいて、ｐ側コンタクト層２１２の最上面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極２２０を形成し、このｐ電極２２０を除くエッチング露出面に、ＳｉＯ₂よりなる絶縁膜２６４を形成し、ｐ電極２２０に電気的に接続する取り出し電極２２２を絶縁膜２６４にまたがって形成し、ウェーハの裏面（ｎ側コンタクト層表面）にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２２１、その上にヒートシンクとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓｎよりなる薄膜を形成する。最後に、ｎ電極２２１が設けられたウェーハ面側からスクライブし、ＧａＮのＭ面［（１１−００）面］でウェーハを劈開してバー状とした後、共振面を作製する。互いに対向する一対の共振面の内、少なくとも一方にＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜のミラーを設け、最後に共振器方向にほぼ垂直に切断して、レーザ素子チップ得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、ストライプ幅が広いために、横モードの安定性に少し劣るものの、電流―光出力曲線において、キンクの発生のない良好な特性を有している。このことは、本発明がこのような設計変更に影響されず、良好な素子特性の向上を奏しうることを示唆するものである。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、従来の出力特性を確保しながら、レーザ素子の光学特性、特にレーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．を良好なものが得られ、アスペクト比も大幅に改善された。また、光の閉じ込め効果が増大させることができたため、良好な導波路の形成が可能となり、素子寿命の向上も確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ素子を説明する断面模式図。
【図２】本発明のレーザ素子を説明する一部拡大した模式図。
【図３】本発明の一実施形態の製造方法を説明する模式図。
【図４】本発明のレーザ素子におけるエッチング深さと素子特性の関係を説明する図。
【図５】本発明の変形例１に係るレーザ素子の模式断面図。
【図６】本発明の変形例２に係るレーザ素子の模式断面図。
【図７】本発明の変形例３に係るレーザ素子の模式断面図。
【図８】本発明の変形例４，５に係るレーザ素子の模式断面図。
【図９】本発明の変形例６に係るレーザ素子の模式断面図。
【符号の説明】
１，２０１・・・異種基板
２，２０２・・・バッファ層
３，２０３・・・下地層
４，２０４・・・ｎ側コンタクト層
５，２０５・・・クラック防止層
６，２０６・・・ｎ側クラッド層
７，２０７・・・ｎ側光ガイド層
８，２０８・・・活性層
９，２０９・・・ｐ側キャップ層
１０，２１０・・・ｐ側光ガイド層
１１，２１１・・・ｐ側クラッド層
１２，２１２・・・ｐ側コンタクト層
６１，２６１・・・第１の保護膜
６２，２６２・・・第２の保護膜
６３，２６３・・・第３の保護膜
２０，２２０・・・ｐ電極
２１，２２１・・・ｎ電極
２２，２２２・・・ｐパッド電極
２３，２２３・・・ｎパッド電極

Claims (8)

1. 基板上に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体レーザ素子において、
   前記活性層を挟み込むようにｎ側光ガイド層とｐ側光ガイド層とを設けて導波路を形成し、該導波路を挟み込むようにｎ側クラッド層とｐ側クラッド層とを設け、
   前記ｐ側光ガイド層にストライプ状の突出部がエッチングにより設けられることでストライプ状の導波路領域を有し、
   前記ｐ側光ガイド層の前記突出部における膜厚が、ｎ側光ガイド層の膜厚より厚く形成されており、
   前記ｐ側光ガイド層の前記突出部における膜厚が１μｍ以下であり、かつ、前記ｐ側光ガイド層のエッチングされた残りの膜厚が５００Å以上であり、
   前記突出部の上面以外の領域であって、該突出部の側面であるｐ側光ガイド層の表面に、保護膜を有し、
   前記保護膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、又はＳｉＯ_２、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成されることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記突出部のストライプ幅が、１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記ｐ側光ガイド層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記活性層とｐ側光ガイド層の間に、ｐ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｐ側キャップ層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記ｐ側クラッド層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む超格子構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記活性層は、単一量子井戸構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記ｎ側クラッド層が、ｐ側クラッド層の膜厚より厚く形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記保護膜は、窒化物半導体よりも屈折率が小さい酸化物である請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。

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