JP2007012883A - 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高電流密度で駆動しても、電圧特性が劣化しない、長寿命な窒化物半導体レーザ素子を実現する。
【解決手段】 ｐ型窒化物半導体と、前記ｐ型窒化物半導体上に形成されたｐ側電極と、を備える窒化物半導体レーザ素子において、前記ｐ側電極は、前記ｐ型窒化物半導体に直接接する第１の層と、前記第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、を有し、前記第２の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群から選択される金属元素と、酸素元素とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 ｐ型窒化物半導体と、前記ｐ型窒化物半導体上に形成されたｐ側電極と、を備える窒化物半導体レーザ素子において、前記ｐ側電極は、前記ｐ型窒化物半導体に直接接する第１の層と、前記第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、を有し、前記第２の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群から選択される金属元素と、酸素元素とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ＩＩＩ族元素と、Ｖ族元素として窒素を用いた窒化物半導体レーザ素子およびこのような窒化物半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置に関する。
窒化物半導体レーザ素子は、発光効率や高速動作性、集光特性に優れる等の特性を有するので、高密度光記録媒体を対象とした情報の読み出しや書き込みを行うための短波長光源として期待されている。また、それ自身が可視光を発光することができ、更に波長変換手段を用いれば窒化物半導体レーザ素子の発する短波長光を可視光に変換することもできることから、照明やバックライトなどの可視光源としての利用が期待されている。
このような期待に応えるためには、発光出力が高く、長時間にわたって安定して動作する窒化物半導体レーザ素子の開発が必須である。しかし、従来の窒化物半導体レーザ素子は、電極と半導体との密着性が悪く、電極が剥がれ易いという問題があり、耐久性が十分でない。このため、その能力が十分に活用されていない。
このような問題を解決する技術としては、例えば特許文献１および２の技術が提案されている。
特許文献１は、ｐ型窒化物系半導体に、ｐ側電極として、Ｎｉ層と、Ｔｉ層と、Ａｕ層と、を順に設ける技術である。Ｎｉ層はｐ型窒化物系半導体に接してオーミック接触を得るための層であり、Ａｕ層はボンディングメタルとしての層であり、Ｔｉ層はこれらの間に介在し、密着性を高めて、ｐ側電極の剥離を防止するための層である。この技術によると、電極の剥がれを防止できるとされる。
また、上記特許文献２は、ｐ型窒化物系半導体上に、第１の層と第２の層との２層構造の電極を形成する技術である。具体的には、第１の層としては、ｐ型窒化物系半導体と接する部分にオーミック性に優れるＮｉ、ＰｄまたはＰｔを用い、第２の層としては、半導体レーザにおいて半導体表面に埋め込み層として形成される、絶縁層との密着力の強い金属（例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ）を用いている。この技術によると、ｐ電極の剥がれの問題を解決できるとされる。
しかし、上記技術を適用した場合であっても、発光出力を高めるために、素子を１０ｋＡ／ｃｍ2以上の高い電流密度で駆動させた場合には、素子性能が劣化し短時間で電圧の異常上昇が生じる。よって、未だ十分には発光出力を高めることができないという課題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高電流密度においても長期間にわたって安定して使用できる、信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行ったところ、１０ｋＡ／ｃｍ2以上の高電流密度で半導体レーザ素子を駆動させた場合における素子特性の急速な劣化は、素子の周囲に存在する雰囲気ガス（Ｎ2，Ｈｅ，Ｈ2、ＣＯ2，ＣＯ等）の構成分子が素子の半導体内部に侵入するためであり、この原因による素子特性の劣化は、ｐ側電極に酸素元素と金属元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ）とを含む層を配すること等により防止することができるということを見出した。そして、本発明を完成させた。
上記課題を解決する本発明の基本構成は、ｐ型窒化物半導体と、前記ｐ型窒化物半導体上に形成されたｐ側電極と、を備える窒化物半導体レーザ素子において、前記ｐ側電極が、前記ｐ型窒化物半導体に直接接する第１の層と、前記第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、を有し、前記第２の層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群から選択される金属元素と、酸素元素とを含む窒化物半導体レーザ素子である。
この構成であると、上記第２の層中の金属元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ）が、酸素元素と協働して、雰囲気ガス構成分子が半導体内部に侵入することを防止する。よって、高電流密度での使用による素子劣化が抑制される。
ここで、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの金属元素は、雰囲気ガスの構成分子と高い親和性を有するゲッターとして機能するが、上記金属元素のみである場合には、雰囲気ガス分子の侵入を十分に阻止できない。その理由は明らかでないが、金属元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ）と酸素元素とを共に含む層とすると、雰囲気ガス分子の侵入を十分に阻止できる。
また、この第２の層は、電極の剥がれを防止する作用をも有しており、素子の耐久性を向上させることができる。
他方、金属元素と酸素元素とを含む第２の層は、ｐ型窒化物半導体とのオーミック電極特性が悪い（接触抵抗が大きい）。よって、この第２の層と窒化物半導体とを直接接触させる構造であると、レーザ素子の特性を十分に高めることができない。そこで上記本発明構成では、第２の層とｐ型窒化物半導体層との間に、第２の層以外の層、すなわち第１の層を介在させる。この構成であれば、第２の層よりもｐ型窒化物半導体とのオーミック電極特性に優れた層を第１の層とすることにより、上記第２の層を設けた作用効果を最大限に引き出すことができる。よって上記本発明構成によると、高電流密度での駆動においても長期間にわたって安定して使用できる高出力半導体レーザ素子を実現することができる。
上記基本構成において、前記第２の層中の前記金属元素と酸素元素の元素数総和を1とするとき、前記総和に対する酸素元素の元素数比が０．５未満である構成とすることができる。
第２の層における酸素元素の元素数比が過大となると、導電性が低下し電極としての機能が損なわれるので、上記のように規制することが好ましい。
また、上記基本構成において、より好ましくは、前記総和に対する酸素元素の元素数比が０．０１以上０．４以下とする。この範囲であると、雰囲気ガス分子の侵入を阻止でき、且つ導電性の低下も少ない。
また、上記基本構成における第１の層は１層構造としてもよく、２層以上の構造としてもよいが、ｐ型窒化物半導体とのオーミック電極特性を高めるために、好ましくは少ともｐ型窒化物半導体に直接接触する側には、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔからなる群より選択される元素を含ませるのがよい。更に第１の層を２層構造とする場合には、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔからなる群より選択される元素で構成された、前記ｐ型窒化物半導体に直接接触する内層Ａと、前記内層Ａを構成する元素以外の元素であって、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗからなる群より選択される元素で構成された、前記第２の層に直接接触する内層Ｂとからなる２層構成とするのが好ましい。
また、上記基本構成に更に、レーザ素子に電源を供給する電線を接続するためのボンディング層を、第２の層の上に設けることができる。この場合、好ましくは、前記ボンディング層と前記第２の層の間に、前記第２の層に直接接触するバリア層が設けられ、当該バリア層が、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群より選択される金属元素と、酸素元素と、で構成され、当該バリア層における酸素元素の元素数比が、前記第２の層における酸素元素の元素数比よりも小さく、前記ボンディング層が、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＡｌおよびＰｄからなる群より選択される元素で構成された構造とするのがよい。また、当該バリア層が、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群より選択される金属元素を含み、前記ボンディング層が、上記バリア層を構成する元素以外の元素であって、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＡｌおよびＰｄからなる群より選択される元素からなる構造とするのもよい。
この構造であると、上記バリア層が、ボンディング層中の元素が拡散し第２の層内に移行するのを防止するので、ボンディング層の構成元素の拡散に起因する素子性能の低下を防止できる。
上記課題を解決するための本発明半導体レーザ装置は、上述したいずれかの構造の窒化物半導体レーザ素子と、前記窒化物半導体レーザ素子の周囲に酸素ガスを存在させて前記窒化物半導体レーザ素子を封止したパッケージと、を有する装置であることを特徴とする。
上述したように、雰囲気ガスが素子特性に大きく影響するのであるが、その理由は必ずしも明らかではないが、窒化物半導体レーザ素子の周囲に酸素ガスが存在すると、劣化の程度が極めて小さくなる。よって、この構成であると、長期間にわたって安定して使用することのできる信頼性に優れた高出力半導体レーザ装置を実現することができる。
ここで、上記構成における窒化物半導体レーザ素子の周囲に存在する酸素ガスは、純粋な酸素ガスである必要はなく、混合ガスでもよい。混合ガス中の酸素ガスの含有濃度（モル濃度百分率）としては、好ましくは１〜１００％であり、より好ましくは１０〜４０％、または1〜２０％である。
以上に説明したように、本発明によると、１０ｋＡ／ｃｍ2以上の高電流密度で使用しても、電極の剥がれや電圧の異常上昇が起こらない、高出力で長寿命な窒化物半導体レーザ素子及びレーザ装置を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照にして説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の、ｐ側電極の構造を模式的に示す断面図である。ｐ側電極１１は、ｐ型の導電性を付与するために、ＩＩ族元素（例えばＭｇ）がドープされたｐ型窒化物半導体からなるコンタクト層１０上に形成されている。ｐ側電極１１は、コンタクト層から順に、第１の層１１１と、第２の層１１２と、第３の層１１３とからなる。
図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体レーザ素子の、ｐ側電極の構造を模式的に示す断面図である。ｐ側電極１１は、ｐ型の導電性を付与するために、ＩＩ族元素（例えばＭｇ）がドープされたｐ型窒化物半導体からなるコンタクト層１０上に形成されている。ｐ側電極１１は、コンタクト層から順に、第１の層１１１と、第２の層１１２と、第３の層１１３とからなる。
第１の層は、ｐ型の窒化物系半導体に対して良好なオーミック電極特性を示す金属が含まれる。この金属としては、好ましくはＰｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔが用いられ、より好ましくはＰｄが用いられる。また、第１の層は、ｐ型半導体層と接する内層Ａと、その上方であって第２の層と直接接する内層Ｂとからなる２層構造としてもよい。この場合、ｐ型半導体層と接する内層Ａには良好なオーミック電極特性を示すＰｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔを用い、その上方の層には、上記内層Ａを構成する金属以外の元素であって、上記内層Ａ及び上記第２の層との接触性に優れるＰｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ等を用いる。
第２の層１１２は、金属元素と酸素元素を含み、且つ金属元素リッチな導電性物質からなる。金属元素としては、好ましくはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂが用いられる。導電性物質に含まれる元素数の総和を１としたとき、総和に対する酸素元素の元素数比は、好ましくは０．５未満（金属元素の元素数よりも酸素元素の元素数の方が少ない）であり、より好ましくは０．０１〜０．４であり、さらに好ましくは０．０１〜０．２５である。酸素元素数比が０．５以上である場合、例えばＴｉＯというような誘電体となり、導電性が損なわれるおそれがある。他方、酸素元素数比が過小である場合、電圧上昇を防止するという本発明の効果が損なわれるおそれがある。
第２の層１１２の上方には、第３の層１１３が形成されている。この層は、レーザ素子と素子外部の電極とのボンディング性を良好とするための層であるが、この層を形成しなくてもよい。ボンディング性を良好とするための層の材料としては、好ましくはＮｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｄ，Ａｌ等が用いられ、より好ましくはＡｕが用いられる。また、第３の層１１３は、ボンディング用のボンディング層と、ボンディング層と第２の層１１２との間に介在するバリア層と、の２層構造とすることが好ましい。このバリア層は、ボンディング層の金属元素が、素子の使用中に第２の層に拡散して、第２の層の機能を損なうことを防止するための層である。
２層構造の場合、ボンディング層の材料としては、上に例示した材料を用い、バリア層としては、ボンディング層を構成する元素以外の元素であって（ボンディング層とバリア層とは、元素組成が異なる）、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂの少なくとも一種を含むことが好ましい。また、このバリア層に酸素元素を含ませることができるが、バリア層の酸素元素数比は、第２の層よりも小さくすることが好ましい。このような構成とすることにより、ボンディング層との密着をより高めるという効果が得られる。また、バリア層は、ボンディング層の金属元素が、素子の使用中に第２の層に拡散して、第２の層の機能を損なうことを防止する効果を有効に発揮し得る点で、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属元素を用いることがより好ましい。
本発明において用いられる窒化物半導体は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の式で表わされる、窒化物半導体結晶を含むことが好ましい。ここで、窒化物半導体結晶が六方晶構造である場合には、窒素元素中の１０％以下の窒素元素が、Ａｓ、ＰまたはＳｂのうち少なくとも１種の元素に置換されていてもよい。
また、窒化物半導体層には、例えばケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、塩素（Ｃｌ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびベリリウム（Ｂｅ）のうち少なくとも１種がドーピングされて、窒化物半導体層はｐ型またはｎ型のいずれかの導電型を有していてもよい。特に、ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることが好ましい。なお、以下では、説明の便宜のため、化合物組成を特に明示せずに、窒化物半導体層を例えばＡｌＧａＩｎＮ層と略記することがある。
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の概略断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板２００上に、ｎ−ＧａＮ層２０１、ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下部クラッド層２０２、ｎ−ＧａＮガイド層２０３、ＧａＮ下部隣接層２０４、活性層２０５、ＧａＮ上部隣接層２０６、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０７、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層２０８、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９が順次形成された構成である。また、基板裏面には、ｎ側電極２２０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９に接してｐ側電極２２１が形成されている。このｐ型電極は、上記実施の形態１で示したものと同様に、第１〜第３の層を有している。また、上部クラッド層２０８とコンタクト層２０９は、共振器方向に延伸したストライプ状に形成されており、リッジストライプ型導波路を構成している。リッジストライプ以外の部分は、絶縁膜２２２で埋め込まれ、電流狭窄を実現している。素子の前面にはＡＲコーティングが、後面にはＨＲコーティングが施されている。
図２は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の概略断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板２００上に、ｎ−ＧａＮ層２０１、ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下部クラッド層２０２、ｎ−ＧａＮガイド層２０３、ＧａＮ下部隣接層２０４、活性層２０５、ＧａＮ上部隣接層２０６、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０７、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層２０８、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９が順次形成された構成である。また、基板裏面には、ｎ側電極２２０、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９に接してｐ側電極２２１が形成されている。このｐ型電極は、上記実施の形態１で示したものと同様に、第１〜第３の層を有している。また、上部クラッド層２０８とコンタクト層２０９は、共振器方向に延伸したストライプ状に形成されており、リッジストライプ型導波路を構成している。リッジストライプ以外の部分は、絶縁膜２２２で埋め込まれ、電流狭窄を実現している。素子の前面にはＡＲコーティングが、後面にはＨＲコーティングが施されている。
上記ｐ型の層には、ｐドープ不純物として、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が、１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3濃度で含有されている。上部クラッド層およびコンタクト層において、代表的には、４×１０19／ｃｍ3である。なお、ｐ−ＧａＮコンタクト層を省略して、上部クラッド層がコンタクト層を兼ねる構成としてもよい。
上記活性層１０５は、アンドープの井戸層とアンドープの障壁層とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で形成された多重量子井戸構造（井戸数３）である。
上記井戸層および障壁層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＮ1-xＡｓx（０＜ｘ＜１）、ＧａＮ1-xＰx（０＜ｘ＜１）、またはこれらの化合物などの窒化物半導体で形成することができ、好ましくは、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする。また、素子の発振閾値を下げるため、活性層を井戸数が２〜４の多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とすることが好ましいが、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）としてもよい。この場合、井戸層に挟まれた障壁層は存在しないこととなる。
上記ｐ側電極２２１は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０９に接する側から、第１の層２３１（Ｐｄ層とＭｏ層）、第２の層２３２（ＴｉＯｘ層）、第３の層２３３（Ｐｔ層とＡｕ層）からなる。ここで、第２の層及び第３の層は、絶縁膜１２２上にも形成されている。ここで、ＴｉＯｘ層は、絶縁膜に対して密着性がよいので、従来のレーザ素子における密着改善のためのＴｉ層と同様の機能も有している。
上記第１の層は、ｐ型窒化物半導体に接するＰｄ層（内層Ａ）と、その上方に形成されたＭｏ層（内層Ｂ）とからなる。ここで、Ｐｄ層は、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するための層である。
上記第２の層（ＴｉＯｘ）層は、第１の層の上部に形成され、且つｐ型窒化物半導体とのオーミック接触部分の少なくとも一部を覆うように形成されている。ＴｉＯｘ中の酸素の組成比は、好ましくはＴｉ＞Ｏとし、より好ましくはＯをＯとＴｉの総和を１とするとき、総和に対しての０．０１〜０．４とする。このような組成を採用することにより、電極としての良好な導電性が得られる。
上記第３の層は、第２の層の上方に形成されたＰｔ層（バリア層）と、その上方に形成されたＡｕ層（ボンディング層）とからなる。Ａｕ層は、ｐ側電極の最上層であり、ボンディングを行うための層である。Ｐｔ層は、ボンディング用金属に対するバリア層である。
各層の膜厚としては、第１の層：Ｐｄ層５〜３００ｎｍ、第１の層：Ｍｏ層５〜３００ｎｍ、第２の層：ＴｉＯｘ層５〜３００ｎｍ、第３の層：Ｐｔ層：５〜３００ｎｍ、第３の層Ａｕ層：１００ｎｍ〜１０μｍとすることが好ましい。
また、絶縁膜２２２は、上記窒化物半導体（上部クラッド層２０８）上に形成され、ｐ側電極２２１に接している。ここで、絶縁膜２２２の材質は特に限定されないが、窒化物半導体との密着性を向上させる観点から、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化マグネシウム、フッ化カルシウムまたはフッ化マグネシウムのいずれかからなることが好ましい。また、絶縁膜を、１層構造ではなく、２層以上からなる構成としてもよい。２層以上の構造を採用する場合、窒化物半導体と接する層として発光に対して吸収の少ない材料を選定し、その上部のｐ側電極と接する層は、電極との密着性に優れた材料を選定することが好ましい。
上記構成の半導体レーザ素子は、公知の窒化物半導体の結晶成長方法を用いて作製できる。各半導体層は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により積層でき、ドライエッチングを用いたエッチング処理によりリッジストライプ構造を形成することができる。ｐ側電極を構成する各層は、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法や、高周波スパッタリング法などの製膜法を用いることができる。ＴｉＯｘ層は、Ｔｉを原料として、製膜雰囲気中に酸素を含有させ、あるいは酸化させたＴｉを原料として製膜することにより形成できる。
（実施例１）
本発明を、実施例を用いて更に具体的に説明する。実施例１に係る半導体レーザ素子は、図２に示すように、実施の形態２と同一の構造を採用しており、各部の具体的サイズは以下のとおりである。
ｎ−ＧａＮ層２０１：厚さ０．５μｍ
ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下部クラッド層２０２：厚さ２μｍ
ｎ−ＧａＮガイド層２０３：厚さ０．１μｍ
ＧａＮ下部隣接層２０４：厚さ２０ｎｍ
活性層２０５：厚み２８ｎｍ
ＧａＮ上部隣接層２０６：厚さ５０ｎｍ
ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０７：厚さ２０ｎｍ
ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層２０８：厚さ０．６μｍ
ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９：０．１μｍ
第１の層２３１（Ｐｄ層）：５０ｎｍ
第１の層２３１（Ｍｏ層）：１００ｎｍ
第２の層２３２（ＴｉＯｘ層）：２０ｎｍ
第３の層２３３（Ｐｔ層）：１００ｎｍ
第３の層２３３（Ａｕ層）：５００ｎｍ
また、リッジストライプの幅は約１．６μｍとし、共振器長６００μｍとした。
本発明を、実施例を用いて更に具体的に説明する。実施例１に係る半導体レーザ素子は、図２に示すように、実施の形態２と同一の構造を採用しており、各部の具体的サイズは以下のとおりである。
ｎ−ＧａＮ層２０１：厚さ０．５μｍ
ｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下部クラッド層２０２：厚さ２μｍ
ｎ−ＧａＮガイド層２０３：厚さ０．１μｍ
ＧａＮ下部隣接層２０４：厚さ２０ｎｍ
活性層２０５：厚み２８ｎｍ
ＧａＮ上部隣接層２０６：厚さ５０ｎｍ
ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０７：厚さ２０ｎｍ
ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ上部クラッド層２０８：厚さ０．６μｍ
ｐ−ＧａＮコンタクト層２０９：０．１μｍ
第１の層２３１（Ｐｄ層）：５０ｎｍ
第１の層２３１（Ｍｏ層）：１００ｎｍ
第２の層２３２（ＴｉＯｘ層）：２０ｎｍ
第３の層２３３（Ｐｔ層）：１００ｎｍ
第３の層２３３（Ａｕ層）：５００ｎｍ
また、リッジストライプの幅は約１．６μｍとし、共振器長６００μｍとした。
上記活性層１０５は、アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層（厚さ：４ｎｍ）とアンドープのＧａＮ障壁層（厚さ：８ｎｍ）とが、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層の順で形成された多重量子井戸構造（井戸数３）である。
各窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、基板上に順次積層した。また、リッジストライプ構造は、ドライエッチングを用いたエッチング処理により形成した。ｐ側電極を構成する各層は、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法を用いた。ＴｉＯｘ層は、Ｔｉを原料として、製膜雰囲気中に酸素を含有させて製膜した。
上述のようにして作製された実施例１に係る窒化物半導体レーザ素子を、レーザパッケージ内に密閉封止実装して通電試験を行った。封止の雰囲気は、酸素ガス１０％と窒素ガス９０％の混合ガスとした。試験条件は、６０℃の高温下で、ＤＣ１２０ｍＡの一定電流駆動（約１３ｋＡ／ｃｍ2）とし、素子電圧をモニタした。この結果を図３に示す。
図３から明らかなように、実施例１に係るレーザ素子は、５００時間以上経過しても、一定の素子電圧（約５．７Ｖ）で安定して走行することがわかる。素子電圧が約５．７Ｖであることからもわかるように、第２の層を通じて通電できており、第２の層は導電性を有している。このように、本実施例のレーザ素子は約１３ｋＡ／ｃｍ2という高電流密度の駆動条件においても安定した電圧特性を示した。
（比較例１）
第２の層を設けず、絶縁膜と第３の層との間にＴｉ層を形成した（第１の層の上部にはＴｉ層は形成されていない）こと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。このＴｉ層は、絶縁膜と第３の層との密着性を高めるためのものである。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行った。この結果を図４に示す。
第２の層を設けず、絶縁膜と第３の層との間にＴｉ層を形成した（第１の層の上部にはＴｉ層は形成されていない）こと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。このＴｉ層は、絶縁膜と第３の層との密着性を高めるためのものである。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行った。この結果を図４に示す。
図４から明らかなように、走行１００時間前後で電圧が上昇し、８Ｖ以上となった。
（比較例２）
第２の層をＴｉ（酸素を含まない）としたこと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、走行１５０時間程度で、上記比較例１と同様の電圧上昇が生じ、電圧が８Ｖ以上となった。
第２の層をＴｉ（酸素を含まない）としたこと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、走行１５０時間程度で、上記比較例１と同様の電圧上昇が生じ、電圧が８Ｖ以上となった。
（比較例３）
封止雰囲気を窒素１００％（酸素を含まない）としたこと以外は、上記比較例１と同様にしてパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、走行３０時間程度で、上記比較例１と同様の電圧上昇が生じ、電圧が８Ｖ以上となった。
封止雰囲気を窒素１００％（酸素を含まない）としたこと以外は、上記比較例１と同様にしてパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、走行３０時間程度で、上記比較例１と同様の電圧上昇が生じ、電圧が８Ｖ以上となった。
（比較例４）
下部クラッド層２０２及び上部クラッド層２０８を形成しなかったことしたこと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、電圧上昇は見られなかったが、クラッド層がないためにレーザとして用いることができなかった。
下部クラッド層２０２及び上部クラッド層２０８を形成しなかったことしたこと以外は、上記実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。実施例１と同様にパッケージを行い、同様の通電試験を行ったところ、電圧上昇は見られなかったが、クラッド層がないためにレーザとして用いることができなかった。
上記結果が得られた理由を以下に考察する。比較例１と比較例３との比較からわかるように、パッケージに封止される雰囲気ガスにＯ2を導入すると、劣化が抑制される傾向がある。実施例では、酸素を含まない状況においての試験を行っていないが、実施例においても同様の現象が生じることが予想されるため、実施例のレーザ素子に対しても、酸素をまったく含まない雰囲気よりも、含んだ雰囲気で封止することが望ましい。
また、比較例１と比較例４との比較からわかるように、ｐ型半導体にＡｌＧａＮを用いると劣化が生じやすくなり、ＧａＮのみにすると劣化が抑制される傾向がある。このように、劣化の状態が、封入雰囲気やｐ型半導体組成に影響されることは、通電中にｐ側電極を通じて、半導体に雰囲気ガスの原子または分子が出入りし、素子（電圧）特性に影響を与えていると考えられる。１０ｋＡ／ｃｍ2を超えるような高電流密度の電流注入（通電）を行わなければ、このような劣化が見られないので、本劣化現象は電流注入に伴う現象であると考えられる。したがって、本実施例で導入したＴｉＯｘの第２の層が、効果的に通電中の電極を通じての原子または分子の出入りを制限していると考えられる。
ここで、Ｔｉはゲッターとして知られ、雰囲気ガス（Ｈ2、Ｎ2、Ｈｅ、ＣＯ2、ＣＯ分子等）を取り込むことが知られている。比較例２のように単体のＴｉのみでは、通電時における劣化防止が十分でなく、実施例１のように酸素元素を金属元素（Ｔｉ）とともに第２の層中に保持しておくことが好ましい。このことは、封止雰囲気にＯ2を導入すると、劣化が抑制される傾向があることと、同じ意義があるものと考えられる。また、少なくとも酸素元素は、電圧上昇に関わる元素でなく、逆に、Ｔｉ等の高融点金属と同時に存在する酸素元素が、素子内に出入りし電圧上昇を生じさせている原子の移動を制限していると考えられる。
（実施例２）
第２の層をＭｏＯｘ（酸素元素の元素数比が０．２）としたこと以外は、上記実施例１と同様のレーザ素子およびレーザ装置（パッケージ）を作製した。これに対し、実施例１と同様の通電を行ったところ、上記実施例１と同様に、５００時間以上経過しても、一定の素子電圧（約５．７Ｖ）で安定して走行した。
第２の層をＭｏＯｘ（酸素元素の元素数比が０．２）としたこと以外は、上記実施例１と同様のレーザ素子およびレーザ装置（パッケージ）を作製した。これに対し、実施例１と同様の通電を行ったところ、上記実施例１と同様に、５００時間以上経過しても、一定の素子電圧（約５．７Ｖ）で安定して走行した。
以上、上記実施例においては、第２の層を構成する金属元素としてＴｉまたはＭｏを用いたが、この他にも、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂのように、高融点で、気体のゲッターとして作用し、導電性で且つ金属元素リッチな酸素元素との合金を形成しうる金属元素を用いることができる。
また、上記実施例においては、第２の層を、半導体上に形成された絶縁膜を覆うものとして例示されたが、この層は、リッジストライプ内部のみに形成されている層であってもよい。
なお、上記実施の形態および実施例は、本発明の構成の例示であって、これに制限されるものではなく、適宜変更実施できることはもちろんのことである。
本発明は、窒化物半導体レーザ、特に１０ｋＡ／ｃｍ2を超えるような、高電流密度での駆動を必要とする高出力を発するデバイスに好適に使用することができる。このようなデバイスの例としては、単一横モードタイプにおいて、１００ｍＷ以上の光出力が得られるデバイスを上げることができる。また、窒化物半導体を用いた、半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、ホログラム素子を備えたホログラムレーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置や、これらの装置を備えた、光記録システム、光ディスクシステム、紫外から緑色領域の光源システムなどに応用可能である。したがって、産業上の意義は大きい。
１０ ｐ型窒化物半導体
１１ ｐ側電極
１１１ 第１の層
１１２ 第２の層
１１３ 第３の層
２００ 基板
２０１ ＧａＮ層
２０２ 下部クラッド層
２０３ ガイド層
２０４ 下部隣接層
２０５ 活性層
２０６ 上部隣接層
２０７ ＡｌＧａＮ層
２０８ 上部クラッド層
２０９ コンタクト層
２２０ ｎ側電極
２２１ ｐ側電極
２２２ 絶縁膜
２３１ 第１の層
２３２ 第２の層
２３３ 第３の層
１１ ｐ側電極
１１１ 第１の層
１１２ 第２の層
１１３ 第３の層
２００ 基板
２０１ ＧａＮ層
２０２ 下部クラッド層
２０３ ガイド層
２０４ 下部隣接層
２０５ 活性層
２０６ 上部隣接層
２０７ ＡｌＧａＮ層
２０８ 上部クラッド層
２０９ コンタクト層
２２０ ｎ側電極
２２１ ｐ側電極
２２２ 絶縁膜
２３１ 第１の層
２３２ 第２の層
２３３ 第３の層
Claims (9)
- ｐ型窒化物半導体と、
前記ｐ型窒化物半導体上に形成されたｐ側電極と、
を備える窒化物半導体レーザ素子において、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型窒化物半導体に直接接する第１の層と、前記第１の層上に形成された導電性を有する第２の層と、を有し、
前記第２の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群から選択される金属元素と、酸素元素とを含む、
ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第２の層中の前記金属元素と前記酸素元素の元素数総和を1とするとき、前記総和に対する酸素元素の元素数比が０．５未満である、
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。 - 前記第２の層中の前記金属元素と前記酸素元素の元素数総和を1とするとき、前記総和に対する酸素元素の元素数比が０．０１以上０．４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。 - 前記第１の層は、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔからなる群より選択される元素を含む、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第１の層は、
Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔからなる群より選択される元素で構成された、前記ｐ型窒化物半導体に直接接触する内層Ａと、
前記内層Ａを構成する元素以外の元素であって、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗからなる群より選択される元素で構成された、前記第２の層に直接接触する内層Ｂと、
からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記第２の層の上にボンディング層が設けられている、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記ボンディング層と前記第２の層の間に、前記第２の層に直接接触するバリア層が設けられており、
当該バリア層は、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群より選択される金属元素と、酸素元素と、を含み、
当該バリア層中の上記金属元素と酸素元素の元素数総和を1とするときにおける酸素元素の元素数比は、前記第２の層における酸素元素の元素数比よりも小さく、
前記ボンディング層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＡｌおよびＰｄからなる群より選択される元素で構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記ボンディング層と前記第２の層の間に、前記第２の層に直接接触するバリア層が設けられており、
当該バリア層は、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、ＭｏおよびＮｂからなる群より選択される金属元素を含み、
前記ボンディング層は、上記バリア層を構成する元素以外の元素であって、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＡｌおよびＰｄからなる群より選択される元素からなる、
ことを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 請求項１ないし８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子と、
前記窒化物半導体レーザ素子の周囲に酸素ガスを存在させて前記窒化物半導体レーザ素子を封止したパッケージと、
を有する窒化物半導体レーザ装置。
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