JP4045792B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなるレーザ素子に関し、ファーフィールドパターンが良好となり、特にリップルを低減することができる窒化物半導体レーザ素子。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らは、実用可能な窒化物半導体レーザ素子として、例えばJpn.J.Appl.Phys.vol.37(1988) pp.L309-L312、Part2,No.cB,15 March 1998の文献に素子構造を提案している。上記文献の技術はサファイア基板上部に、部分的に形成されたＳｉＯ２膜を介して選択成長された転位の少ないＧａＮよりなる窒化物半導体層を複数積層してなる素子とすることで、室温での連続発振１万時間以上を可能とするものである。素子構造としては図７のように、選択成長された窒化物半導体基板上に、ｎ−ＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）よりなるｎ型コンタクト層、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるクラック防止層、ｎ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｎ型クラッド層、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｐ型クラッド層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層により構成されている。
【０００３】
さらに上記文献では、光の導波を効率よくするために、ｐ型コンタクト層側からｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが設けられ、さらにリッジストライプ側面からｎ型コンタクト層にかけてＳｉＯ２が形成された実効屈折率型の窒化物半導体素子が記載されている。
【０００４】
このＳｉＯ２は保護膜としての効果だけでなく、導波路領域で十分に光を閉じ込めて横方向の光導波を効率よく行うために有効であり、本発明者らも導波路領域を形成する窒化物半導体よりも低屈折率の膜としてＺｒＯ２、ＳｉＯ２等を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構造では、例えば出力３０ｍＷの高出力動作時において、横方向のＦＦＰ（ファーフィールドパターン）はリップルが発生し、非ガウシア分布になってしまうという問題があった。窒化物半導体レーザを光ディスクへの書き込み等を目的とした実用化には非ガウシア分布となるレーザでは、光ディスクへの書き込み等には非常に不適切なものとなるため、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となるレーザ素子が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで発明者らは鋭意研究を重ねた結果、導波路領域において共振器長と垂直な方向となる横方向に導波して端面で反射してきた戻り光が、または導波路領域においてリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光が、リップル発生の大きな要因になっていると考え、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となる、あらたな窒化物半導体レーザ素子の構造を得るに至った。その窒化物半導体レーザ素子の構造とは、導波路領域においてリッジストライプから離れた位置において、戻り光を減少させ、また漏れ光をリッジストライプから離れた位置で吸収させることで減少させるものであり、以下のような構成からなる。
【０００９】
（１） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する第１の絶縁膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
（２） 前記第２の絶縁膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料であることを特徴とする。
【００１１】
（３） 前記第２の絶縁膜はＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５ 、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＣから選ばれた１つであることを特徴とする。
【００１２】
（４） 前記エッチングによって露出された露出面のうち、前記第１の絶縁膜から離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする。
【００１３】
（５） 該第２の絶縁膜において、該導波路領域の上部に形成された第２の絶縁膜上には第２の絶縁膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
（６） 該導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする。
【００１５】
（７） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する金属からなる第２の膜が形成され、導波路領域の共振器面と異なる側面には絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
（８） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する窒化物半導体からなる第２の膜が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
（９） 前記（７）または（８）の窒化物半導体レーザ素子の、第２の膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料であることを特徴とする。
【００１８】
（１０） 前記第２の膜は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｉから選ばれた１つからなる金属膜であることを特徴とする。
【００１９】
（１１） 前記第２の膜はＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）であることを特徴とする。
【００２０】
（１２） 前記（７）〜（１１）のうちいずれかの窒化物半導体レーザ素子の、エッチングによって露出された露出面のうち、前記リッジストライプから離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする。
【００２１】
（１３） 前記導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して前記第１の膜がリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面から連続して形成されており、さらに該第１の膜上に、該第１の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００２２】
（１４） 前記第２の膜において、該導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された前記第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されており、さらに該第３の絶縁膜上には該第３の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
（１５） 前記（７）〜（１４）の窒化物半導体レーザ素子の、導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする。
【００２４】
このような（１）〜（１７）の構成にすることで、横方向に導波して端面で反射してきた戻り光を減少させ、リッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光を吸収させることで減少させることができ、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となるレーザ素子を得ることが可能となった。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
図１は本発明における窒化物半導体レーザ素子の導波路領域を示す模式図である。本発明の導波路は、図１のＡに示されるように、低屈折率領域と高屈折率領域を設け、クラッド層に挟まれた活性層内に屈折率差を設けることで形成されている。そして、低屈折率領域の一部には光損失領域が設けられており、横方向に導波して端面で反射してきた戻り光を減少させ、およびリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光を吸収させることで減少させることができる。また本発明ではこの低屈折率領域に、光損失領域の一部を設けることで、本発明の目的とするＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子が実現される。
【００２６】
また、本発明は以下のようにも説明できる。本発明の導波路は、図１のＡに示されるように、低屈折率領域と高屈折率領域を設け、クラッド層に挟まれた活性層内に屈折率差を設けることで形成されている。そして、低屈折率領域の一部には光損失領域が設けられており、導波路のうち、光損失領域に挟まれた領域を、利得が得られる領域として、利得領域とすると、本発明の導波路内には、横方向に実効的な屈折率差を設けることで形成された第１導波路と、光損失領域を設けることで形成された第２導波路を有することになる。ここで第１の導波路を実効屈折率導波路と称し、第２の導波路を光損失導波路と称する。実効屈折率導波路は、図１のＡに示すように、リッジストライプ構造とすることで導波路領域において、実効的な屈折率差を設けることで横モードを閉じ込めるものであり、また光損失導波路は、図１のＢに示すように、光の利得領域と光の損失領域を設けることで横モードを閉じ込めるものである。本発明では第１の導波路と、第２の導波路を設け、さらに低屈折率領域の一部に光損失領域があるように形成することで、本発明の目的とするＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子が実現される。
【００２７】
図１を具体的に説明すると、実効屈折率導波路（第１導波路）は本発明のレーザ素子のリッジストライプ部にほぼ一致する部位に対向する導波路の部位で高屈折率領域と低屈折率領域の境界が形成され、光損失導波路（第２導波路）はリッジストライプから離れたｐ型窒化物半導体層露出面上のレーザ光を吸収する材料を設ける部位に対向する導波路の部位で光の損失領域と光の利得領域の境界が形成される。
【００２８】
次に本発明の具体的な実施の形態について述べる。本発明は以下に示す実施の形態１〜３よりなる。
（実施の形態１）
図２は本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【００２９】
図２には、多重量子井戸構造の活性層の上に、ｐ型電子閉じ込め層、ｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順に形成され、ｐ型コンタクト層側からｐ型光ガイド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であり、リッジストライプ側面及び露出されたｐ型光ガイド層のリッジストライプ近傍には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する第１の絶縁膜が形成され、リッジストライプから離れたｐ型光ガイド層の表面には、ｎ型窒化物半導体層にかけて、連続して導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜が形成されており、さらにｐ型コンタクト層表面及び、第１の絶縁膜の表面にはｐ側オーミック電極が、ｐ側オーミック電極、第１の絶縁膜の表面及びｐ型光ガイド層に接する第２の絶縁膜上にはｐ側パッド電極が形成されている。なお、本発明において、第１の絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜、第２の絶縁膜を絶縁性を有する第２の膜と呼ぶことがある。
【００３０】
（第２の絶縁膜：絶縁性を有する第２の膜）
本発明において、窒化物半導体レーザの導波路領域において共振器長と垂直な方向となる横方向に導波して端面で反射してきた戻り光（以下、戻り光とする）、および導波路領域においてリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光（以下、漏れ光とする）を減衰（減少）させるために、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜を設けている。このように第２の絶縁膜を設けることで、図４に示すようにリッジストライプの近傍とリッジストライプから離れた位置とでは、光の導波モードは異なるものとなり、リッジストライプから横方向に進んだ光は第２の絶縁膜と接する部位で、第２の絶縁膜の方に進み、第２の絶縁膜を導波する。このように第２の絶縁膜を導波することにより戻り光を減少させることができ、また以下のように第２の絶縁膜を吸収する材料を選択するか、第２の絶縁膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、漏れ光を減少させることができる。
【００３１】
この第２の絶縁膜は例えば、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＲｈＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５及びＳｉＣが挙げられ、これらはすべてＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりも屈折率の大きい材料である。さらにＴｉＯ２は、吸収の効果があると共に、窒化物半導体層に対して密着性の高い材料であることから最も好ましい材料である。
【００３２】
さらに第２の絶縁膜の膜厚は、好ましくは２００オングストローム以上とし、さらに好ましくは１５００オングストローム以上とし、最も好ましくは１５００オングストローム以上、５０００オングストローム以下とする。膜厚を上記範囲にすることで、戻り光および漏れ光を効率的に減少させることができる。１５００オングストローム以上とする理由は、窒化物半導体として、ＧａＮを用いた場合、レーザ発振波長が４００ｎｍ（４０００オングストローム）、ＧａＮの屈折率が２．５であることから、少なくとも１４８０オングストロームの膜厚がなければ、光の導波、吸収が効果的に起こらないからで、第２の絶縁膜の膜厚がこれより小さくなると、光は放射してしまう。すなわち、具体的には（レーザの発振波長／活性層の井戸層の屈折率）で、算出した値が下限の膜厚として必要である。また、ｐ側パッド電極の屈折率が第２の絶縁膜の屈折率よりも大きい場合、第２の絶縁膜を５０００オングストロームよりも小さくすることで、第２の絶縁膜上に形成されているｐ側パッド電極でも光を吸収させ、戻り光および漏れ光をさらに減少させることができる。
【００３３】
また、第２の絶縁膜の膜厚は好ましくは１５００オングストロームとするが、ｐ側パッド電極の膜厚が５００オングストローム以上で形成する場合、第２の絶縁膜の膜厚は２００オングストローム以上あればよい。第２の絶縁膜は１５００オングストロームより小さいと光を放出してしまうが、放出した光はｐ側パッド電極で吸収されるようになり、戻り光及び漏れ光を減少させる効果はあり、ｐ側パッド電極の膜厚によっては、第２の絶縁膜を２００オングストローム以上とすることが可能である。この第２の絶縁膜の下限値を２００オングストロームとする理由は窒化物半導体層が少なくとも完全に外部（パッド電極など）と絶縁できる下限値だからである。
【００３４】
また第２の絶縁膜は、リッジストライプから離れたｐ型光ガイド層の表面（エッチング露出面）から連続して導波路領域の共振器面と異なる側面にまで形成する。すなわち共振器長と垂直な方向となる、導波路領域の横方向の端面にも第２の絶縁膜を形成する。導波路領域の横方向の端面に第２の絶縁膜を形成することで、横方向の端面でも光を吸収することができ、さらに漏れ光および戻り光を減少させることができる。
【００３５】
（第１の絶縁膜：絶縁性を有する第１の膜）
本発明において、第１の絶縁膜（絶縁性を有する第１の膜）は導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する材料であり、例えばＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりも屈折率の小さい材料として、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２などが挙げられる。特にＺｒＯ２は窒化物半導体層に対して密着性が高いことからも好ましい材料である。
【００３６】
（エッチングによるリッジストライプ形成）
本発明において、リッジストライプはｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまで形成する。少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングすることで、レーザ発振できる程度に高屈折領域と低屈折領域との屈折率差を設けることができる。さらにｐ型窒化物半導体層側から、ｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層、さらにｐ型光ガイド層の一部を除去して形成することが好ましい。このときエッチングの深さは、活性層に達しない深さとする。好ましくはｐ型光ガイド層のリッジストライプ部の膜厚を１００オングストローム以上とすることにより、良好なビーム形状を有するレーザ素子を得ることができる。さらに好ましくは５００オングストローム以上とすることで、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できるものとなる。
【００３７】
さらに本発明において、リッジストライプの形状としては、順メサ型、逆メサ型のどちらでもよいが、順メサ型（活性層から離れるにつれてリッジストライプ幅が狭くなる）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。
【００３８】
本発明において、リッジストライプを形成する際、またリッジストライプ形成時のみでなく、窒化物半導体をエッチングする際においては、ウェットエッチング、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の方法として、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で、窒化物半導体をエッチングすることができる。
【００３９】
さらにリッジストライプはレーザ出射面から反射面に架けてリッジストライプ幅が広くなるようなテーパ状に形成してもよい。リッジストライプをテーパ状にすることによって、水平横モードと垂直横モードともにシングルモードが得られ、良好なＦＦＰとなり、本発明のリップルの低減されたレーザ素子の効果をさらに増すものとなり好ましい。
【００４０】
また本発明においてリッジストライプの幅は、１〜３μｍに調整する。リッジストライプの幅を上記範囲にすることで、単一モードで安定した横モードでの発振が可能となる。ストライプの幅が、１μｍ未満であるとストライプの形成が困難になり、３μｍ以上であると横モードが多モードになる傾向にあり、上記１〜３μｍの範囲外にあると、本発明の構造でも安定した横モードにならない傾向にある。好ましくは１．２〜２μｍの範囲にすることで、更に光出力の高い領域での横モードの安定性が増加する。
【００４１】
（ｐ側パッド電極）
本発明において、ｐ側パッド電極は第２の膜上、さらにｐ側オーミック電極上に、それぞれに接して形成されている。このｐ側パッド電極は金属からなり、単一の層であってもよく、多層であってもよい。ｐ側パッド電極が金属であることから、第２の膜だけでなくｐ側パッド電極でも効率よく光を吸収させ、戻り光および漏れ光をさらに減少させることができ、最も好ましい。
【００４２】
ｐ側パッド電極の膜厚は少なくとも５００オングストローム以上であることが好ましい。上記膜厚が５００オングストローム以上であると、光の吸収が効率よく行われる。さらに好ましくは２０００オングストローム以上とすることで、ｐ型窒化物半導体層表面での電流を均一に流せるようになり、さらに好ましくは５０００オングストローム以上とすることで、実装時のワイヤーボンディングを容易に行うことができ、信頼性、歩留が向上する。
【００４３】
また、本発明は他の実施の形態として、図３のようなリッジストライプを形成した際に露出した露出面を、さらにエッチングすることでも本発明の目的を達成できる。この場合、第２の膜は絶縁膜であることが好ましく、また第１の絶縁膜から離れた位置において、少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体をエッチングする。第１の絶縁膜から離れた位置とは第１の絶縁膜が形成されていないエッチング露出面上のいずれかの位置のことであり、好ましくはリッジストライプの側面の最下部からの距離が５μｍ以上であり、さらに好ましくは６μｍ〜８μｍの位置である。５μｍ以下にすると光の閉じ込め効果が大きくなり、光が集中し過ぎて端面破壊が起こりやすくなってしまう。このようにエッチングすると、導波路領域の横方向の端面に絶縁性を有する第２の膜と、さらにはｐ側パッド電極が順に形成された構造となる。端面に絶縁性を有する第２の膜と金属からなるｐ側パッド電極とが形成されることで、横方向に導波して端面で反射する戻り光および漏れ光をさらに減少させることができる。
【００４４】
さらに上記リッジストライプを形成した際に露出した露出面をエッチングする際、窒化物半導体の成長方向に対して傾斜を設けるようにエッチングすることが好ましい。窒化物半導体の成長方向に対して平行にエッチングして形成された端面では、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光は、反射して再び導波路領域を進むことになり、リップル発生の原因となるが、傾斜を設けて端面を形成することで、反射した光は再び導波路領域を進むことがなくなり、第２の膜として、絶縁性を有する膜、金属からなる膜、窒化物半導体からなる膜いずれの場合でも、設ける効果は絶大となる。
【００４５】
このように傾斜を設けることは、上記図２（さらには以下に示す図８および図９）を用いて示したリッジストライプを形成した際に露出した露出面をエッチングしない場合でも用いることができ、その場合は、ｐ型窒化物半導体層まで積層後、ｎ型窒化物半導体層を露出させてｎ側オーミック電極等のｎ側電極を形成するためのエッチングの際に、導波路領域の端面を窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜して設けることで、同様の効果が得られる。
【００４６】
また、本発明の多重量子井戸構造の活性層のうち、井戸層はＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）を用いることができるが、好ましくはＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）を用いることができる。
【００４７】
本発明で課題とされているリップルは４２０ｎｍ以下で発振する窒化物半導体レーザ素子の場合に顕著に発生する。これは多重量子井戸からなる活性層の井戸層の組成に大きく関係し、４２０ｎｍより長い範囲で発振する窒化物半導体レーザ素子はＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）において、Ｉｎの混晶比が大きいので、Ｉｎの組成不均一が大きく、導波路領域での内部ロスが大きくなり、端面で反射してきた戻り光、さらには導波路領域から漏れた漏れ光は、４２０ｎｍ以下で発振するレーザ素子と比べて小さい。よって、本発明は特に４２０ｎｍ以下で発振する窒化物半導体レーザにおいて特に効果を発揮するものである。
【００４８】
また、本発明において第２の膜は、リッジストライプから離れた露出面に形成されるが、これは少なくともリッジストライプから０．５μｍ離れた露出面から外側に向けて形成されるものであり、この距離を好ましくは１μｍ以上２μｍ以下に設けることで、最も有効に戻り光および漏れ光を減少させることができる。
【００４９】
本発明において、その他の層の構成、および層の形成方法などは、特に限定せず、従来知られている窒化物半導体レーザ素子の構成、形成方法を用いることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
次に示す実施の形態２は、実施の形態１において、第２の絶縁膜のみを金属からなる第２の膜とした形態であり、他の構成、またはそれによる効果等は実施の形態１と同様である。
【００５１】
第２の膜として用いる金属としては導波路領域の屈折率よりも大きい値を有するものであればよく、さらに好ましくはレーザ発振波長の光を吸収するものであることが好ましい。具体的に好ましい材料としては、Ｎｂであり、これらの材料は、横方向に導波した光を金属からなる第２の膜と接する部位で、金属からなる第２の膜の方に進み、金属からなる第２の膜を導波する（図４）。このように金属からなる第２の膜を導波することにより戻り光を減少させることができ、また以下のように金属からなる第２の膜をレーザ発振波長の光を吸収する材料を選択するか、金属からなる第２の膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、漏れ光を減少させることができる。
【００５２】
第２の膜として金属を用いる場合、好ましい膜厚としては、２００オングストローム以上とし、さらに好ましくは１５００オングストローム以上、５０００オングストローム以下とする。膜厚を上記範囲にすることで、戻り光及び漏れ光を効率的に減少させることができる。１５００オングストローム以上とする理由は、上記第２の膜を絶縁膜とした場合と同じ理由であり、５０００オングストローム以下とすることで、金属からなる第２の膜上に設けるｐ側パッド電極でも光を吸収させ、戻り光及び漏れ光をさらに減少させることができる。
【００５３】
しかしながら、第２の膜として金属からなる膜を設ける場合、図８、９に示すように、第２の膜上に形成されるｐ側パッド電極は金属からなる第２の膜との間に絶縁膜を介して形成される。このｐ側パッド電極と金属からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜は、図８のように、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された絶縁性を有する第１の膜が、リッジストライプ側面から連続して形成されたものでもよいし、図９のように、絶縁性を有する第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されたものでもよい。ｐ側パッド電極と金属からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜とした場合、製造工程が簡略化される点で好ましいが、異なる材料とした場合、リッジストライプから離れた位置に置いて導波路上に順に形成される金属からなる第２の膜、絶縁膜、ｐ側パッド電極の３層を導波路から離れるにしたがって、屈折率が導波路領域の屈折率よりも段階的に大きくなるように材料を適宜選択することができ、本発明の効果として特に大きいものが得られる。具体的に最も好ましい材料の構成としては、第２の膜をＮｂ、絶縁膜をＳｉＯ２、ｐ側パッド電極をＲｈＯである。またｐ側パッド電極のＲｈＯは、ＮｉとＡｕの合金を１５００オングストローム以下（例えばＮｉを１００オングストロームとＡｕを１４００オングストローム）の膜厚で形成することで、段階的に屈折率が大きくなるという特性を損ねることなく、パッド電極のはがれ防止効果も具備することができる。
【００５４】
（実施の形態３）
次に示す実施の形態３は、実施の形態１において、第２の膜を、絶縁性を有するものや金属ではなく、半導体からなる膜としたものある。他の構成、またはそれによる効果等は実施の形態１と同様である。
【００５５】
第２の膜として用いる半導体としては導波路領域の屈折率と等しいか、それよりも大きい値を有するものであればよく、さらに好ましくはレーザ発振波長の光を吸収するものであることが好ましい。レーザ発振波長の光を吸収するものとは、言い換えると、多重量子井戸層のうち、井戸層のバンドギャップエネルギーに等しいか、それよりも小さいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体であり、第２の膜として、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体を用いると、漏れ光を吸収させる効果は全く起こらない。またこの第２の膜は、同じ窒化物半導体層上に形成するので、結晶性よく形成することができる。
【００５６】
さらに第２の膜として用いる半導体の好ましい材料を具体的に説明すると、上記記載の井戸層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体として、井戸層のバンドギャップエネルギーとの差が０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下で形成することを特徴とする。井戸層がＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）の場合、第２の膜はＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１かつＸ＜Ｚ）となり、必ずＩｎを含むものとなり、ＩｎＧａＮ形成時のＩｎは混晶比が大きいほど、Ｉｎの偏析が起こりやすいという公知の事実から、Ｉｎは吸収係数が大きいので、吸収させるという効果が顕著にあらわれる。しかしながら、ＩｎＧａＮのＩｎの混晶比を大きくしすぎると第２の膜の結晶表面があれてしまい、その上に形成するパッド電極、または絶縁膜がはがれやすくなってしまうので、好ましくなくこれらのことから、上記０．１ｅＶ以上０．３ｅＶとすることが好ましい。
【００５７】
これらの材料を適宜選択し用いることで、横方向に導波した光が、窒化物半導体からなる第２の膜と接する部位で、第２の膜の方に進み、第２の膜を導波する（図４）。このように窒化物半導体からなる第２の膜を導波することにより戻り光を減少させることができる。
【００５８】
第２の膜として半導体を用いる場合、好ましい膜厚としては、２００オングストローム以上、２０００オングストローム以下とすることで、戻り光および漏れ光を効率的に減少させることができる。とくにＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）を用いる場合は、５００オングストローム以上１５００オングストローム以下とする。５００オングストローム以上とすることで、ＩｎＧａＮがほぼ均一な膜厚で形成され、戻り光および漏れ光を減少させる効果を再現性よく発揮することができ、１５００オングストローム以下とすることで、第２の膜の表面があれることなく、その上に形成する材料との密着性も良くなる。ここで、第２の膜をＩｎＧａＮとする場合、金属や絶縁性を有する膜を設ける場合よりも薄く形成できるが、これはバンド端吸収によるもので、表面をあらすことなく吸収させるという両者の効果を奏する。
【００５９】
また窒化物半導体からなる第２の膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、さらに漏れ光を減少させることができる。しかしながら、第２の膜として窒化物半導体からなる膜を設ける場合、第２の膜上に形成されるｐ側パッド電極は窒化物半導体からなる第２の膜との間に絶縁膜を介して形成される。このｐ側パッド電極と窒化物半導体からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜は、図８に示すように、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された絶縁性を有する第１の膜が、リッジストライプ側面から連続して形成されたものでもよいし、図９に示すように、絶縁性を有する第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されたものでもよい。ｐ側パッド電極と窒化物半導体からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜とした場合、製造工程が簡略化される点で好ましいが、異なる材料とした場合、リッジストライプから離れた位置において導波路上に順に形成される窒化物半導体からなる第２の膜、絶縁膜、ｐ側パッド電極の３層を導波路から離れるにしたがって、屈折率が導波路領域の屈折率よりも段階的に大きくなるように材料を適宜選択することができ、本発明の効果として特に大きいものが得られる。具体的に好ましい３層の構成としては、第２の膜をＩｎＧａＮ（井戸層のＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）よりもバンドギャップエネルギーが小さく、その差が０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下のＩｎＧａＮ）、絶縁膜をＳｉＯ２、ｐ側パッド電極をＲｈＯである。またｐ側パッド電極のＲｈＯは、ＮｉとＡｕの合金を１５００オングストローム以下（例えばＮｉを１００オングストロームとＡｕを１４００オングストローム）の膜厚で形成することで、段階的に屈折率が大きくなるという特性を損ねることなく、パッド電極のはがれ防止効果もさらに増大することができる。
【００６０】
以下に実施例を示すが、いうまでもなく、窒化物半導体レーザ素子の構造、および形成方法はこれに限るものではない。
【００６１】
【実施例】
［実施例１］
図２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。
【００６２】
図２には、窒化物半導体と異なる異種基板１０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層１０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層１０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層１０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層１０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層１１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層１０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層１１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプ近傍、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型クラッド層露出面のうちリッジストライプに近い側、およびリッジストライプ側面には第１の絶縁膜３０１が、またリッジストライプから離れた位置、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型クラッド層露出面のうちリッジストライプから遠い側に、導波路領域の共振器面と異なる側面にまで第２の絶縁膜３０２が形成されている。言いかえればｐ型窒化物半導体層露出面のうち、第１の絶縁膜３０１はリッジストライプに接して設けられており、第２の絶縁膜３０２はリッジストライプに接しないで設けられている。さらに、電極としてｐ側には、第１の絶縁膜及びリッジストライプ上部のｐ型窒化物半導体層露出面にはｐ側オーミック電極２０１が、またｐ側オーミック電極２０１上および第１、第２の絶縁膜上にはｐ側パッド電極２０２が設けられ、ｎ側には、ｎ型コンタクト層上にはｎ側オーミック電極２０３、ｎ側オーミック電極２０３上および第２の絶縁膜上にはｎ側パッド電極２０４が設けられている。
【００６３】
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１０１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。
【００６４】
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異種基板を用いることができる。また、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【００６５】
（バッファ層）
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（図示せず）を２００Åの膜厚で成長させる。
【００６６】
（下地層１０２）
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１０２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。
【００６７】
（ｎ型コンタクト層１０３）
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型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００６８】
（クラック防止層１０４）
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１０４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。
【００６９】
（ｎ型クラッド層１０５）
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型クラッド層１０５を成長させる。
【００７０】
（ｎ型光ガイド層１０６）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ型光ガイド層８にｎ型不純物をドープしても良い。
【００７１】
（活性層１０７）
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１０７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。
【００７２】
（ｐ側キャップ層１０８）
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型光ガイド層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１０８を３００Åの膜厚で成長させる。
【００７３】
（ｐ型光ガイド層１０９）
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型光ガイド層１０９を０．２μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
このｐ型光ガイド層１０９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型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。
【００７５】
（ｐ型クラッド層１１０）
続いて、ＴＭＡを流し、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ＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを流し、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、繰り返し積層することで、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型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１１０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型クラッド層１１０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。
【００７６】
（ｐ型コンタクト層１１１）
最後に、１０５０℃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１１１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ＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０１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１１１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。
【００７７】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエー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２に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３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。
【００７８】
次にストライプ状のリッジストライプ導波路を形成する方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層４０１の最上層のｐ型コンタクト層のほぼ全面に、スパッタ装置などの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４０２を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜４０２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２の保護膜４０３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４０２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１の絶縁膜との溶解度差を設けるために、第１の絶縁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。
【００７９】
次に、図５（ｂ）に示すように第２の保護膜４０３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２の保護膜４０３をマスクとして、前記第１の保護膜４０２をエッチングして、ストライプ状とする。
【００８０】
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、ｐ型コンタクト層の上にストライプ幅２μｍの第１の保護膜４０２が形成できる。
【００８１】
さらに、図５（ｃ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜４０２形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ４ガスを用いて、ｐ型コンタクト層、およびｐ型クラッド層、ｐ型光ガイド層をエッチングして、ｐ型光ガイド層のエッチングされた領域（リッジストライプ部以外の領域）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。
【００８２】
さらに、図５（ｄ）に示すように、リッジストライプ形成後、さらにリッジストライプから離れた位置に、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４０４を形成する。第３の保護膜は第２の保護膜と同様の材料を用いるのが好ましい。
【００８３】
第３の保護膜４０４を形成後、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、図５（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる第１の絶縁膜４０５を、第１の保護膜４０２の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第３の保護膜４０４上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【００８４】
ここで、第１の絶縁膜４０５の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＮを用いることが望ましい。これらの材料は導波路を形成する窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料である。また、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４０２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５（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４０２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４０２のみを除去すると、図５（ｆ）に示すような、平面に対して膜厚が均一な第１の絶縁膜４０５を形成することができる。
【００８５】
第１の絶縁膜４０５形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ２以外の材料を第１の絶縁膜として形成した場合、第１の絶縁膜成膜後に、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１の絶縁膜が第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。
【００８６】
次に、ウエーハをフッ酸に浸漬し、図５（ｆ）に示すように、第１の保護膜４０２をリフトオフ法により除去する。
【００８７】
次に図６（ａ）に示すように、ｐ型コンタクト層の上の第１の保護膜４０２が除去されて露出したそのｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極４０６を形成する。但しｐ電極４０６は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第１の絶縁膜４０５の上に渡って形成する。第１の絶縁膜形成後、既に露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ側オーミック電極２０３をストライプと平行な方向で形成する。
【００８８】
次に図６（ｂ）に示すように、第３の保護膜４０４を除去し、ｐ型窒化物半導体層を露出させる。
【００８９】
次に図６（ｃ）に示すように、ｐ側オーミック電極上と、ｎ側オーミック電極の一部とを覆うようにフォトレジストからなる第４の保護膜４０７を形成する。
【００９０】
第４の保護膜４０７を形成後、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、図６（ｄ）に示すように、ＴｉＯ２よりなる第２の絶縁膜４０８を全面（、さらに全面から導波路領域の共振器面と異なる側面まで連続して）に形成し、さらに図６（ｅ）に示すように、第４の保護膜４０７を除去することでリッジストライプ近傍と、ｎ側オーミック電極上の第２の絶縁膜を除去する。
【００９１】
次に、ｐ、ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐ側パッド電極２０２およびｎ側パッド電極２０４をそれぞれ形成する。
【００９２】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエ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２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。
【００９３】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．５であった。さらに図１０は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の絶縁膜を形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【００９４】
［実施例２］
図３は本発明の他の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、この図をもとに実施例２について説明する。
【００９５】
図３には、実施例１と同様に積層された積層構造であり、ｎ型コンタクト層１０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型光ガイド層１０９が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、さらにリッジストライプを形成した際の露出面であるｐ型光ガイド層１０９を、第１の絶縁膜３０１から離れた位置に置いて、ｎ型光ガイド層１０６が露出するまでエッチングされている。そして、絶縁性を有する第１の膜３０１がｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプ近傍、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型光ガイド層露出面のうちリッジストライプに近い側、およびリッジストライプ側面に形成され、またリッジストライプから離れた位置、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型光ガイド層露出面のうちリッジストライプから遠い側および、ｐ型光ガイド層露出面をエッチングして形成された導波路領域の横方向の端面および該端面から連続してｎ型光ガイド層露出面に絶縁性を有する第２の膜３０２が形成されている。
【００９６】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。
リッジストライプ形成後、リッジストライプの側面の最下部からの距離が７μｍより内側をフォトレジストおよびＺｒＯ２でマスクし、７μｍより外側を、ｎ型光ガイド層の表面が露出するまでエッチングする。
【００９７】
その後は、実施例１と同様に、ｐ側オーミック電極、ｎ側オーミック電極、ＴｉＯ２よりなる第２の絶縁膜、ｐ側パッド電極、ｎ側パッド電極を形成する。このとき第２の絶縁膜はｐ型光ガイド層露出面から導波路領域の共振器面と異なる側面、さらにｎ型コンタクト層露出面にまで渡って形成される。
【００９８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエ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３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。
【００９９】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．５であった。さらに第２の絶縁膜を形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１００】
［比較例１］
各層を積層したあと、図７のように第２の絶縁膜を形成しないで、リッジストライプから離れた位置の窒化物半導体上には第１の絶縁膜４０５が接するように形成される以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザ素子を得る。得られたレーザ素子は、発振波長４００〜４２０ｎｍ、発振しきい値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ２において単一横モードで発振したが、水平横モードのＦＦＰはリップルが発生するものとなる。
【０１０１】
［実施例３］
図８は本発明の他の実施例にかか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。
【０１０２】
図８には、窒化物半導体と異なる異種基板５０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層５０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０３、クラック防止層５０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層５０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層５０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層５０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層５０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層５１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層５０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層５１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプから離れた位置に第２の膜７０２としてＮｂが形成されており、さらに残りのｐ型窒化物半導体層露出面、リッジストライプの側面および第２の膜上および導波路領域の共振器面と異なる側面には絶縁膜７０１が形成されている。
【０１０３】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。次に、フォトレジストを全面に塗布し、ｐ型窒化物半導体露出面のうち、リッジストライプから離れた位置において、第２の膜形成部を露光により露出させる。
【０１０４】
つぎにウエーハをスパッタ装置に入れ、スッパッタリングによりＮｂを３００オングストロームの膜厚で形成した後、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。
【０１０５】
さらにウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる絶縁性を有する第１の膜７０１を、第１の保護膜（マスク）の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第２の膜上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１０６】
第１の膜形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。熱処理以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。なおこの時の共振器長は８００μｍであった。
【０１０７】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．８であった。さらに図１１は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の膜として金属のＮｂを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１０８】
［実施例４］
図８は実施例３で、第２の膜として金属のＮｂを用いるときのレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、これを用いて実施例４を説明する。実施例４は第２の膜として半導体のＩｎＧａＮが形成されたものである。
【０１０９】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。次に、ｐ型窒化物半導体露出面全面に、ＺｎＯよりなる保護膜を形成する。このときＺｎＯよりなる保護膜は、リッジストライプから離れた位置において、第２の膜形成部を除いて形成する。続いてＭＯＶＰＥ装置でＩｎＧａＮを７５０オングストロームの膜厚でリッジストライプ部、ＺｎＯ膜上、ｐ型窒化物半導体層露出面の全面に形成する。そしてウエーハをリン酸と硫酸の混合溶液に浸漬してＺｎＯ膜を除去する。
【０１１０】
次に、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる絶縁性を有する第１の膜を、第１の保護膜（マスク）の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第２の膜上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１１１】
第１の膜４０５形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。熱処理以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。なおこの時の共振器長は８００μｍであった。
【０１１２】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．７であった。さらに図１２は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の膜として窒化物半導体のＩｎＧａＮを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１３】
［実施例５］
図９は本発明の他の実施例にかか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。
【０１１４】
図９には、窒化物半導体と異なる異種基板５０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層５０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０３、クラック防止層５０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層５０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層５０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層５０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層５０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層５１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層５０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層５１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプから離れた位置に第２の膜３０２としてＮｂが形成されており、さらに残りのｐ型窒化物半導体層露出面、リッジストライプの側面には、絶縁性を有する第１の膜７０１としてＺｒＯ２が形成されており、第２の膜上および導波路領域の共振器面と異なる側面には第１の膜７０１と異なる絶縁性を有する第３の膜７０３としてＳｉＯ２が形成されている。
【０１１５】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．７であった。さらに第２の膜として金属のＮｂを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１６】
［実施例６］
実施例６は第２の膜としてＩｎＧａＮを用いるもので、他の構成は実施例５および図９で示すものと同じである。なお、このときのＩｎＧａＮの形成方法は実施例４と同様にする。
【０１１７】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．６であった。さらに第２の膜７０２として窒化物半導体のＩｎＧａＮを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では導波路領域においてリッジストライプから離れた位置において、戻り光および漏れ光を吸収させる構造とすることで、戻り光およｈび漏れ光を減少させ、ＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体レーザ素子の導波路領域を示す模式図、
【図２】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図３】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図４】本発明の導波路領域での光導波機構を説明する図、
【図５】本発明の一実施の形態に係る製造方法を説明する模式的断面図、
【図６】本発明の一実施の形態に係る製造方法を説明する模式的断面図、
【図７】比較例として用いた従来の窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図８】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図９】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面
図、
【図１０】本発明の実施例１に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図、
【図１１】本発明の実施例３に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図、
【図１２】本発明の実施例４に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図。
【符号の説明】
１０１、５０１・・・異種基板、
１０２、５０２・・・下地層、
１０３、５０３・・・ｎ型コンタクト層、
１０４、５０４・・・クラック防止層、
１０５、５０５・・・ｎ型クラッド層、
１０６、５０６・・・ｎ型光ガイド層、
１０７、５０７・・・活性層、
１０８、５０８・・・ｐ側キャップ層、
１０９、５０９・・・ｐ型光ガイド層、
１１０、５１０・・・ｐ型クラッド層、
１１１、５１１・・・ｐ型コンタクト層、
２０１、４０６、６０１・・・ｐ側オーミック電極、
２０２、６０２・・・ｐ側パッド電極、
２０３、６０３・・・ｎ側オーミック電極、
２０４、６０４・・・ｎ側パッド電極、
３０１、４０５、７０１・・・第１の絶縁膜（絶縁性を有する第１の膜）、
３０２、４０８・・・第２の絶縁膜（第２の膜）、
４０１・・・ｐ型窒化物半導体層、
４０２・・・第１の保護膜、
４０３・・・第２の保護膜、
４０４・・・第３の保護膜、
４０７・・・第４の保護膜、
７０２・・・第２の膜、
７０３・・・第３の膜（絶縁性を有する第３の膜）。
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなるレーザ素子に関し、ファーフィールドパターンが良好となり、特にリップルを低減することができる窒化物半導体レーザ素子。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らは、実用可能な窒化物半導体レーザ素子として、例えばJpn.J.Appl.Phys.vol.37(1988) pp.L309-L312、Part2,No.cB,15 March 1998の文献に素子構造を提案している。上記文献の技術はサファイア基板上部に、部分的に形成されたＳｉＯ２膜を介して選択成長された転位の少ないＧａＮよりなる窒化物半導体層を複数積層してなる素子とすることで、室温での連続発振１万時間以上を可能とするものである。素子構造としては図７のように、選択成長された窒化物半導体基板上に、ｎ−ＡｌｋＧａ１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）よりなるｎ型コンタクト層、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなるクラック防止層、ｎ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｎ型クラッド層、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ／Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮの多層膜よりなるｐ型クラッド層、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層により構成されている。
【０００３】
さらに上記文献では、光の導波を効率よくするために、ｐ型コンタクト層側からｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが設けられ、さらにリッジストライプ側面からｎ型コンタクト層にかけてＳｉＯ２が形成された実効屈折率型の窒化物半導体素子が記載されている。
【０００４】
このＳｉＯ２は保護膜としての効果だけでなく、導波路領域で十分に光を閉じ込めて横方向の光導波を効率よく行うために有効であり、本発明者らも導波路領域を形成する窒化物半導体よりも低屈折率の膜としてＺｒＯ２、ＳｉＯ２等を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の構造では、例えば出力３０ｍＷの高出力動作時において、横方向のＦＦＰ（ファーフィールドパターン）はリップルが発生し、非ガウシア分布になってしまうという問題があった。窒化物半導体レーザを光ディスクへの書き込み等を目的とした実用化には非ガウシア分布となるレーザでは、光ディスクへの書き込み等には非常に不適切なものとなるため、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となるレーザ素子が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで発明者らは鋭意研究を重ねた結果、導波路領域において共振器長と垂直な方向となる横方向に導波して端面で反射してきた戻り光が、または導波路領域においてリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光が、リップル発生の大きな要因になっていると考え、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となる、あらたな窒化物半導体レーザ素子の構造を得るに至った。その窒化物半導体レーザ素子の構造とは、導波路領域においてリッジストライプから離れた位置において、戻り光を減少させ、また漏れ光をリッジストライプから離れた位置で吸収させることで減少させるものであり、以下のような構成からなる。
【０００９】
（１） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する第１の絶縁膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
（２） 前記第２の絶縁膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料であることを特徴とする。
【００１１】
（３） 前記第２の絶縁膜はＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５ 、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＣから選ばれた１つであることを特徴とする。
【００１２】
（４） 前記エッチングによって露出された露出面のうち、前記第１の絶縁膜から離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする。
【００１３】
（５） 該第２の絶縁膜において、該導波路領域の上部に形成された第２の絶縁膜上には第２の絶縁膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
（６） 該導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする。
【００１５】
（７） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する金属からなる第２の膜が形成され、導波路領域の共振器面と異なる側面には絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
（８） ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する窒化物半導体からなる第２の膜が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
（９） 前記（７）または（８）の窒化物半導体レーザ素子の、第２の膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料であることを特徴とする。
【００１８】
（１０） 前記第２の膜は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｉから選ばれた１つからなる金属膜であることを特徴とする。
【００１９】
（１１） 前記第２の膜はＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）であることを特徴とする。
【００２０】
（１２） 前記（７）〜（１１）のうちいずれかの窒化物半導体レーザ素子の、エッチングによって露出された露出面のうち、前記リッジストライプから離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする。
【００２１】
（１３） 前記導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して前記第１の膜がリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面から連続して形成されており、さらに該第１の膜上に、該第１の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００２２】
（１４） 前記第２の膜において、該導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された前記第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されており、さらに該第３の絶縁膜上には該第３の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
（１５） 前記（７）〜（１４）の窒化物半導体レーザ素子の、導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする。
【００２４】
このような（１）〜（１７）の構成にすることで、横方向に導波して端面で反射してきた戻り光を減少させ、リッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光を吸収させることで減少させることができ、リップルがＦＦＰにのらないガウス分布となるレーザ素子を得ることが可能となった。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
図１は本発明における窒化物半導体レーザ素子の導波路領域を示す模式図である。本発明の導波路は、図１のＡに示されるように、低屈折率領域と高屈折率領域を設け、クラッド層に挟まれた活性層内に屈折率差を設けることで形成されている。そして、低屈折率領域の一部には光損失領域が設けられており、横方向に導波して端面で反射してきた戻り光を減少させ、およびリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光を吸収させることで減少させることができる。また本発明ではこの低屈折率領域に、光損失領域の一部を設けることで、本発明の目的とするＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子が実現される。
【００２６】
また、本発明は以下のようにも説明できる。本発明の導波路は、図１のＡに示されるように、低屈折率領域と高屈折率領域を設け、クラッド層に挟まれた活性層内に屈折率差を設けることで形成されている。そして、低屈折率領域の一部には光損失領域が設けられており、導波路のうち、光損失領域に挟まれた領域を、利得が得られる領域として、利得領域とすると、本発明の導波路内には、横方向に実効的な屈折率差を設けることで形成された第１導波路と、光損失領域を設けることで形成された第２導波路を有することになる。ここで第１の導波路を実効屈折率導波路と称し、第２の導波路を光損失導波路と称する。実効屈折率導波路は、図１のＡに示すように、リッジストライプ構造とすることで導波路領域において、実効的な屈折率差を設けることで横モードを閉じ込めるものであり、また光損失導波路は、図１のＢに示すように、光の利得領域と光の損失領域を設けることで横モードを閉じ込めるものである。本発明では第１の導波路と、第２の導波路を設け、さらに低屈折率領域の一部に光損失領域があるように形成することで、本発明の目的とするＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子が実現される。
【００２７】
図１を具体的に説明すると、実効屈折率導波路（第１導波路）は本発明のレーザ素子のリッジストライプ部にほぼ一致する部位に対向する導波路の部位で高屈折率領域と低屈折率領域の境界が形成され、光損失導波路（第２導波路）はリッジストライプから離れたｐ型窒化物半導体層露出面上のレーザ光を吸収する材料を設ける部位に対向する導波路の部位で光の損失領域と光の利得領域の境界が形成される。
【００２８】
次に本発明の具体的な実施の形態について述べる。本発明は以下に示す実施の形態１〜３よりなる。
（実施の形態１）
図２は本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【００２９】
図２には、多重量子井戸構造の活性層の上に、ｐ型電子閉じ込め層、ｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが順に形成され、ｐ型コンタクト層側からｐ型光ガイド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であり、リッジストライプ側面及び露出されたｐ型光ガイド層のリッジストライプ近傍には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する第１の絶縁膜が形成され、リッジストライプから離れたｐ型光ガイド層の表面には、ｎ型窒化物半導体層にかけて、連続して導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜が形成されており、さらにｐ型コンタクト層表面及び、第１の絶縁膜の表面にはｐ側オーミック電極が、ｐ側オーミック電極、第１の絶縁膜の表面及びｐ型光ガイド層に接する第２の絶縁膜上にはｐ側パッド電極が形成されている。なお、本発明において、第１の絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜、第２の絶縁膜を絶縁性を有する第２の膜と呼ぶことがある。
【００３０】
（第２の絶縁膜：絶縁性を有する第２の膜）
本発明において、窒化物半導体レーザの導波路領域において共振器長と垂直な方向となる横方向に導波して端面で反射してきた戻り光（以下、戻り光とする）、および導波路領域においてリッジストライプから離れた位置で導波路領域から漏れた漏れ光（以下、漏れ光とする）を減衰（減少）させるために、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜を設けている。このように第２の絶縁膜を設けることで、図４に示すようにリッジストライプの近傍とリッジストライプから離れた位置とでは、光の導波モードは異なるものとなり、リッジストライプから横方向に進んだ光は第２の絶縁膜と接する部位で、第２の絶縁膜の方に進み、第２の絶縁膜を導波する。このように第２の絶縁膜を導波することにより戻り光を減少させることができ、また以下のように第２の絶縁膜を吸収する材料を選択するか、第２の絶縁膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、漏れ光を減少させることができる。
【００３１】
この第２の絶縁膜は例えば、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＲｈＯ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５及びＳｉＣが挙げられ、これらはすべてＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりも屈折率の大きい材料である。さらにＴｉＯ２は、吸収の効果があると共に、窒化物半導体層に対して密着性の高い材料であることから最も好ましい材料である。
【００３２】
さらに第２の絶縁膜の膜厚は、好ましくは２００オングストローム以上とし、さらに好ましくは１５００オングストローム以上とし、最も好ましくは１５００オングストローム以上、５０００オングストローム以下とする。膜厚を上記範囲にすることで、戻り光および漏れ光を効率的に減少させることができる。１５００オングストローム以上とする理由は、窒化物半導体として、ＧａＮを用いた場合、レーザ発振波長が４００ｎｍ（４０００オングストローム）、ＧａＮの屈折率が２．５であることから、少なくとも１４８０オングストロームの膜厚がなければ、光の導波、吸収が効果的に起こらないからで、第２の絶縁膜の膜厚がこれより小さくなると、光は放射してしまう。すなわち、具体的には（レーザの発振波長／活性層の井戸層の屈折率）で、算出した値が下限の膜厚として必要である。また、ｐ側パッド電極の屈折率が第２の絶縁膜の屈折率よりも大きい場合、第２の絶縁膜を５０００オングストロームよりも小さくすることで、第２の絶縁膜上に形成されているｐ側パッド電極でも光を吸収させ、戻り光および漏れ光をさらに減少させることができる。
【００３３】
また、第２の絶縁膜の膜厚は好ましくは１５００オングストロームとするが、ｐ側パッド電極の膜厚が５００オングストローム以上で形成する場合、第２の絶縁膜の膜厚は２００オングストローム以上あればよい。第２の絶縁膜は１５００オングストロームより小さいと光を放出してしまうが、放出した光はｐ側パッド電極で吸収されるようになり、戻り光及び漏れ光を減少させる効果はあり、ｐ側パッド電極の膜厚によっては、第２の絶縁膜を２００オングストローム以上とすることが可能である。この第２の絶縁膜の下限値を２００オングストロームとする理由は窒化物半導体層が少なくとも完全に外部（パッド電極など）と絶縁できる下限値だからである。
【００３４】
また第２の絶縁膜は、リッジストライプから離れたｐ型光ガイド層の表面（エッチング露出面）から連続して導波路領域の共振器面と異なる側面にまで形成する。すなわち共振器長と垂直な方向となる、導波路領域の横方向の端面にも第２の絶縁膜を形成する。導波路領域の横方向の端面に第２の絶縁膜を形成することで、横方向の端面でも光を吸収することができ、さらに漏れ光および戻り光を減少させることができる。
【００３５】
（第１の絶縁膜：絶縁性を有する第１の膜）
本発明において、第１の絶縁膜（絶縁性を有する第１の膜）は導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する材料であり、例えばＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりも屈折率の小さい材料として、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２などが挙げられる。特にＺｒＯ２は窒化物半導体層に対して密着性が高いことからも好ましい材料である。
【００３６】
（エッチングによるリッジストライプ形成）
本発明において、リッジストライプはｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまで形成する。少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングすることで、レーザ発振できる程度に高屈折領域と低屈折領域との屈折率差を設けることができる。さらにｐ型窒化物半導体層側から、ｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層、さらにｐ型光ガイド層の一部を除去して形成することが好ましい。このときエッチングの深さは、活性層に達しない深さとする。好ましくはｐ型光ガイド層のリッジストライプ部の膜厚を１００オングストローム以上とすることにより、良好なビーム形状を有するレーザ素子を得ることができる。さらに好ましくは５００オングストローム以上とすることで、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できるものとなる。
【００３７】
さらに本発明において、リッジストライプの形状としては、順メサ型、逆メサ型のどちらでもよいが、順メサ型（活性層から離れるにつれてリッジストライプ幅が狭くなる）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。
【００３８】
本発明において、リッジストライプを形成する際、またリッジストライプ形成時のみでなく、窒化物半導体をエッチングする際においては、ウェットエッチング、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の方法として、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で、窒化物半導体をエッチングすることができる。
【００３９】
さらにリッジストライプはレーザ出射面から反射面に架けてリッジストライプ幅が広くなるようなテーパ状に形成してもよい。リッジストライプをテーパ状にすることによって、水平横モードと垂直横モードともにシングルモードが得られ、良好なＦＦＰとなり、本発明のリップルの低減されたレーザ素子の効果をさらに増すものとなり好ましい。
【００４０】
また本発明においてリッジストライプの幅は、１〜３μｍに調整する。リッジストライプの幅を上記範囲にすることで、単一モードで安定した横モードでの発振が可能となる。ストライプの幅が、１μｍ未満であるとストライプの形成が困難になり、３μｍ以上であると横モードが多モードになる傾向にあり、上記１〜３μｍの範囲外にあると、本発明の構造でも安定した横モードにならない傾向にある。好ましくは１．２〜２μｍの範囲にすることで、更に光出力の高い領域での横モードの安定性が増加する。
【００４１】
（ｐ側パッド電極）
本発明において、ｐ側パッド電極は第２の膜上、さらにｐ側オーミック電極上に、それぞれに接して形成されている。このｐ側パッド電極は金属からなり、単一の層であってもよく、多層であってもよい。ｐ側パッド電極が金属であることから、第２の膜だけでなくｐ側パッド電極でも効率よく光を吸収させ、戻り光および漏れ光をさらに減少させることができ、最も好ましい。
【００４２】
ｐ側パッド電極の膜厚は少なくとも５００オングストローム以上であることが好ましい。上記膜厚が５００オングストローム以上であると、光の吸収が効率よく行われる。さらに好ましくは２０００オングストローム以上とすることで、ｐ型窒化物半導体層表面での電流を均一に流せるようになり、さらに好ましくは５０００オングストローム以上とすることで、実装時のワイヤーボンディングを容易に行うことができ、信頼性、歩留が向上する。
【００４３】
また、本発明は他の実施の形態として、図３のようなリッジストライプを形成した際に露出した露出面を、さらにエッチングすることでも本発明の目的を達成できる。この場合、第２の膜は絶縁膜であることが好ましく、また第１の絶縁膜から離れた位置において、少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体をエッチングする。第１の絶縁膜から離れた位置とは第１の絶縁膜が形成されていないエッチング露出面上のいずれかの位置のことであり、好ましくはリッジストライプの側面の最下部からの距離が５μｍ以上であり、さらに好ましくは６μｍ〜８μｍの位置である。５μｍ以下にすると光の閉じ込め効果が大きくなり、光が集中し過ぎて端面破壊が起こりやすくなってしまう。このようにエッチングすると、導波路領域の横方向の端面に絶縁性を有する第２の膜と、さらにはｐ側パッド電極が順に形成された構造となる。端面に絶縁性を有する第２の膜と金属からなるｐ側パッド電極とが形成されることで、横方向に導波して端面で反射する戻り光および漏れ光をさらに減少させることができる。
【００４４】
さらに上記リッジストライプを形成した際に露出した露出面をエッチングする際、窒化物半導体の成長方向に対して傾斜を設けるようにエッチングすることが好ましい。窒化物半導体の成長方向に対して平行にエッチングして形成された端面では、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光は、反射して再び導波路領域を進むことになり、リップル発生の原因となるが、傾斜を設けて端面を形成することで、反射した光は再び導波路領域を進むことがなくなり、第２の膜として、絶縁性を有する膜、金属からなる膜、窒化物半導体からなる膜いずれの場合でも、設ける効果は絶大となる。
【００４５】
このように傾斜を設けることは、上記図２（さらには以下に示す図８および図９）を用いて示したリッジストライプを形成した際に露出した露出面をエッチングしない場合でも用いることができ、その場合は、ｐ型窒化物半導体層まで積層後、ｎ型窒化物半導体層を露出させてｎ側オーミック電極等のｎ側電極を形成するためのエッチングの際に、導波路領域の端面を窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜して設けることで、同様の効果が得られる。
【００４６】
また、本発明の多重量子井戸構造の活性層のうち、井戸層はＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）を用いることができるが、好ましくはＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）を用いることができる。
【００４７】
本発明で課題とされているリップルは４２０ｎｍ以下で発振する窒化物半導体レーザ素子の場合に顕著に発生する。これは多重量子井戸からなる活性層の井戸層の組成に大きく関係し、４２０ｎｍより長い範囲で発振する窒化物半導体レーザ素子はＩｎｐＧａ１−ｐＮ（０＜ｐ＜１）において、Ｉｎの混晶比が大きいので、Ｉｎの組成不均一が大きく、導波路領域での内部ロスが大きくなり、端面で反射してきた戻り光、さらには導波路領域から漏れた漏れ光は、４２０ｎｍ以下で発振するレーザ素子と比べて小さい。よって、本発明は特に４２０ｎｍ以下で発振する窒化物半導体レーザにおいて特に効果を発揮するものである。
【００４８】
また、本発明において第２の膜は、リッジストライプから離れた露出面に形成されるが、これは少なくともリッジストライプから０．５μｍ離れた露出面から外側に向けて形成されるものであり、この距離を好ましくは１μｍ以上２μｍ以下に設けることで、最も有効に戻り光および漏れ光を減少させることができる。
【００４９】
本発明において、その他の層の構成、および層の形成方法などは、特に限定せず、従来知られている窒化物半導体レーザ素子の構成、形成方法を用いることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
次に示す実施の形態２は、実施の形態１において、第２の絶縁膜のみを金属からなる第２の膜とした形態であり、他の構成、またはそれによる効果等は実施の形態１と同様である。
【００５１】
第２の膜として用いる金属としては導波路領域の屈折率よりも大きい値を有するものであればよく、さらに好ましくはレーザ発振波長の光を吸収するものであることが好ましい。具体的に好ましい材料としては、Ｎｂであり、これらの材料は、横方向に導波した光を金属からなる第２の膜と接する部位で、金属からなる第２の膜の方に進み、金属からなる第２の膜を導波する（図４）。このように金属からなる第２の膜を導波することにより戻り光を減少させることができ、また以下のように金属からなる第２の膜をレーザ発振波長の光を吸収する材料を選択するか、金属からなる第２の膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、漏れ光を減少させることができる。
【００５２】
第２の膜として金属を用いる場合、好ましい膜厚としては、２００オングストローム以上とし、さらに好ましくは１５００オングストローム以上、５０００オングストローム以下とする。膜厚を上記範囲にすることで、戻り光及び漏れ光を効率的に減少させることができる。１５００オングストローム以上とする理由は、上記第２の膜を絶縁膜とした場合と同じ理由であり、５０００オングストローム以下とすることで、金属からなる第２の膜上に設けるｐ側パッド電極でも光を吸収させ、戻り光及び漏れ光をさらに減少させることができる。
【００５３】
しかしながら、第２の膜として金属からなる膜を設ける場合、図８、９に示すように、第２の膜上に形成されるｐ側パッド電極は金属からなる第２の膜との間に絶縁膜を介して形成される。このｐ側パッド電極と金属からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜は、図８のように、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された絶縁性を有する第１の膜が、リッジストライプ側面から連続して形成されたものでもよいし、図９のように、絶縁性を有する第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されたものでもよい。ｐ側パッド電極と金属からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜とした場合、製造工程が簡略化される点で好ましいが、異なる材料とした場合、リッジストライプから離れた位置に置いて導波路上に順に形成される金属からなる第２の膜、絶縁膜、ｐ側パッド電極の３層を導波路から離れるにしたがって、屈折率が導波路領域の屈折率よりも段階的に大きくなるように材料を適宜選択することができ、本発明の効果として特に大きいものが得られる。具体的に最も好ましい材料の構成としては、第２の膜をＮｂ、絶縁膜をＳｉＯ２、ｐ側パッド電極をＲｈＯである。またｐ側パッド電極のＲｈＯは、ＮｉとＡｕの合金を１５００オングストローム以下（例えばＮｉを１００オングストロームとＡｕを１４００オングストローム）の膜厚で形成することで、段階的に屈折率が大きくなるという特性を損ねることなく、パッド電極のはがれ防止効果も具備することができる。
【００５４】
（実施の形態３）
次に示す実施の形態３は、実施の形態１において、第２の膜を、絶縁性を有するものや金属ではなく、半導体からなる膜としたものある。他の構成、またはそれによる効果等は実施の形態１と同様である。
【００５５】
第２の膜として用いる半導体としては導波路領域の屈折率と等しいか、それよりも大きい値を有するものであればよく、さらに好ましくはレーザ発振波長の光を吸収するものであることが好ましい。レーザ発振波長の光を吸収するものとは、言い換えると、多重量子井戸層のうち、井戸層のバンドギャップエネルギーに等しいか、それよりも小さいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体であり、第２の膜として、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体を用いると、漏れ光を吸収させる効果は全く起こらない。またこの第２の膜は、同じ窒化物半導体層上に形成するので、結晶性よく形成することができる。
【００５６】
さらに第２の膜として用いる半導体の好ましい材料を具体的に説明すると、上記記載の井戸層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーの窒化物半導体として、井戸層のバンドギャップエネルギーとの差が０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下で形成することを特徴とする。井戸層がＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）の場合、第２の膜はＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１かつＸ＜Ｚ）となり、必ずＩｎを含むものとなり、ＩｎＧａＮ形成時のＩｎは混晶比が大きいほど、Ｉｎの偏析が起こりやすいという公知の事実から、Ｉｎは吸収係数が大きいので、吸収させるという効果が顕著にあらわれる。しかしながら、ＩｎＧａＮのＩｎの混晶比を大きくしすぎると第２の膜の結晶表面があれてしまい、その上に形成するパッド電極、または絶縁膜がはがれやすくなってしまうので、好ましくなくこれらのことから、上記０．１ｅＶ以上０．３ｅＶとすることが好ましい。
【００５７】
これらの材料を適宜選択し用いることで、横方向に導波した光が、窒化物半導体からなる第２の膜と接する部位で、第２の膜の方に進み、第２の膜を導波する（図４）。このように窒化物半導体からなる第２の膜を導波することにより戻り光を減少させることができる。
【００５８】
第２の膜として半導体を用いる場合、好ましい膜厚としては、２００オングストローム以上、２０００オングストローム以下とすることで、戻り光および漏れ光を効率的に減少させることができる。とくにＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）を用いる場合は、５００オングストローム以上１５００オングストローム以下とする。５００オングストローム以上とすることで、ＩｎＧａＮがほぼ均一な膜厚で形成され、戻り光および漏れ光を減少させる効果を再現性よく発揮することができ、１５００オングストローム以下とすることで、第２の膜の表面があれることなく、その上に形成する材料との密着性も良くなる。ここで、第２の膜をＩｎＧａＮとする場合、金属や絶縁性を有する膜を設ける場合よりも薄く形成できるが、これはバンド端吸収によるもので、表面をあらすことなく吸収させるという両者の効果を奏する。
【００５９】
また窒化物半導体からなる第２の膜上に金属からなるｐ側パッド電極を形成することにより、さらに漏れ光を減少させることができる。しかしながら、第２の膜として窒化物半導体からなる膜を設ける場合、第２の膜上に形成されるｐ側パッド電極は窒化物半導体からなる第２の膜との間に絶縁膜を介して形成される。このｐ側パッド電極と窒化物半導体からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜は、図８に示すように、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された絶縁性を有する第１の膜が、リッジストライプ側面から連続して形成されたものでもよいし、図９に示すように、絶縁性を有する第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されたものでもよい。ｐ側パッド電極と窒化物半導体からなる第２の膜との間に形成される絶縁膜を絶縁性を有する第１の膜とした場合、製造工程が簡略化される点で好ましいが、異なる材料とした場合、リッジストライプから離れた位置において導波路上に順に形成される窒化物半導体からなる第２の膜、絶縁膜、ｐ側パッド電極の３層を導波路から離れるにしたがって、屈折率が導波路領域の屈折率よりも段階的に大きくなるように材料を適宜選択することができ、本発明の効果として特に大きいものが得られる。具体的に好ましい３層の構成としては、第２の膜をＩｎＧａＮ（井戸層のＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）よりもバンドギャップエネルギーが小さく、その差が０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下のＩｎＧａＮ）、絶縁膜をＳｉＯ２、ｐ側パッド電極をＲｈＯである。またｐ側パッド電極のＲｈＯは、ＮｉとＡｕの合金を１５００オングストローム以下（例えばＮｉを１００オングストロームとＡｕを１４００オングストローム）の膜厚で形成することで、段階的に屈折率が大きくなるという特性を損ねることなく、パッド電極のはがれ防止効果もさらに増大することができる。
【００６０】
以下に実施例を示すが、いうまでもなく、窒化物半導体レーザ素子の構造、および形成方法はこれに限るものではない。
【００６１】
【実施例】
［実施例１］
図２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。
【００６２】
図２には、窒化物半導体と異なる異種基板１０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層１０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層１０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層１０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層１０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層１１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層１０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層１１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプ近傍、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型クラッド層露出面のうちリッジストライプに近い側、およびリッジストライプ側面には第１の絶縁膜３０１が、またリッジストライプから離れた位置、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型クラッド層露出面のうちリッジストライプから遠い側に、導波路領域の共振器面と異なる側面にまで第２の絶縁膜３０２が形成されている。言いかえればｐ型窒化物半導体層露出面のうち、第１の絶縁膜３０１はリッジストライプに接して設けられており、第２の絶縁膜３０２はリッジストライプに接しないで設けられている。さらに、電極としてｐ側には、第１の絶縁膜及びリッジストライプ上部のｐ型窒化物半導体層露出面にはｐ側オーミック電極２０１が、またｐ側オーミック電極２０１上および第１、第２の絶縁膜上にはｐ側パッド電極２０２が設けられ、ｎ側には、ｎ型コンタクト層上にはｎ側オーミック電極２０３、ｎ側オーミック電極２０３上および第２の絶縁膜上にはｎ側パッド電極２０４が設けられている。
【００６３】
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１０１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。
【００６４】
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異種基板を用いることができる。また、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる基板上に直接積層しても良い。
【００６５】
（バッファ層）
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（図示せず）を２００Åの膜厚で成長させる。
【００６６】
（下地層１０２）
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１０２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。
【００６７】
（ｎ型コンタクト層１０３）
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型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００６８】
（クラック防止層１０４）
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１０４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。
【００６９】
（ｎ型クラッド層１０５）
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型クラッド層１０５を成長させる。
【００７０】
（ｎ型光ガイド層１０６）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ型光ガイド層８にｎ型不純物をドープしても良い。
【００７１】
（活性層１０７）
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１０７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。
【００７２】
（ｐ側キャップ層１０８）
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型光ガイド層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１０８を３００Åの膜厚で成長させる。
【００７３】
（ｐ型光ガイド層１０９）
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型光ガイド層１０９を０．２μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
このｐ型光ガイド層１０９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型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。
【００７５】
（ｐ型クラッド層１１０）
続いて、ＴＭＡを流し、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ＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを流し、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、繰り返し積層することで、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型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１１０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型クラッド層１１０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。
【００７６】
（ｐ型コンタクト層１１１）
最後に、１０５０℃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１１１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ＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０１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１１１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。
【００７７】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエー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２に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３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。
【００７８】
次にストライプ状のリッジストライプ導波路を形成する方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層４０１の最上層のｐ型コンタクト層のほぼ全面に、スパッタ装置などの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４０２を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜４０２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２の保護膜４０３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４０２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１の絶縁膜との溶解度差を設けるために、第１の絶縁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。
【００７９】
次に、図５（ｂ）に示すように第２の保護膜４０３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２の保護膜４０３をマスクとして、前記第１の保護膜４０２をエッチングして、ストライプ状とする。
【００８０】
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、ｐ型コンタクト層の上にストライプ幅２μｍの第１の保護膜４０２が形成できる。
【００８１】
さらに、図５（ｃ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜４０２形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ４ガスを用いて、ｐ型コンタクト層、およびｐ型クラッド層、ｐ型光ガイド層をエッチングして、ｐ型光ガイド層のエッチングされた領域（リッジストライプ部以外の領域）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。
【００８２】
さらに、図５（ｄ）に示すように、リッジストライプ形成後、さらにリッジストライプから離れた位置に、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４０４を形成する。第３の保護膜は第２の保護膜と同様の材料を用いるのが好ましい。
【００８３】
第３の保護膜４０４を形成後、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、図５（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる第１の絶縁膜４０５を、第１の保護膜４０２の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第３の保護膜４０４上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【００８４】
ここで、第１の絶縁膜４０５の材料としてはＳｉＯ２以外の材料、好ましくはＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＮを用いることが望ましい。これらの材料は導波路を形成する窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料である。また、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４０２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５（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４０２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４０２のみを除去すると、図５（ｆ）に示すような、平面に対して膜厚が均一な第１の絶縁膜４０５を形成することができる。
【００８５】
第１の絶縁膜４０５形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ２以外の材料を第１の絶縁膜として形成した場合、第１の絶縁膜成膜後に、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１の絶縁膜が第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。
【００８６】
次に、ウエーハをフッ酸に浸漬し、図５（ｆ）に示すように、第１の保護膜４０２をリフトオフ法により除去する。
【００８７】
次に図６（ａ）に示すように、ｐ型コンタクト層の上の第１の保護膜４０２が除去されて露出したそのｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極４０６を形成する。但しｐ電極４０６は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第１の絶縁膜４０５の上に渡って形成する。第１の絶縁膜形成後、既に露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ側オーミック電極２０３をストライプと平行な方向で形成する。
【００８８】
次に図６（ｂ）に示すように、第３の保護膜４０４を除去し、ｐ型窒化物半導体層を露出させる。
【００８９】
次に図６（ｃ）に示すように、ｐ側オーミック電極上と、ｎ側オーミック電極の一部とを覆うようにフォトレジストからなる第４の保護膜４０７を形成する。
【００９０】
第４の保護膜４０７を形成後、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、図６（ｄ）に示すように、ＴｉＯ２よりなる第２の絶縁膜４０８を全面（、さらに全面から導波路領域の共振器面と異なる側面まで連続して）に形成し、さらに図６（ｅ）に示すように、第４の保護膜４０７を除去することでリッジストライプ近傍と、ｎ側オーミック電極上の第２の絶縁膜を除去する。
【００９１】
次に、ｐ、ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐ側パッド電極２０２およびｎ側パッド電極２０４をそれぞれ形成する。
【００９２】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエ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２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。
【００９３】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．５であった。さらに図１０は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の絶縁膜を形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【００９４】
［実施例２］
図３は本発明の他の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、この図をもとに実施例２について説明する。
【００９５】
図３には、実施例１と同様に積層された積層構造であり、ｎ型コンタクト層１０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型光ガイド層１０９が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、さらにリッジストライプを形成した際の露出面であるｐ型光ガイド層１０９を、第１の絶縁膜３０１から離れた位置に置いて、ｎ型光ガイド層１０６が露出するまでエッチングされている。そして、絶縁性を有する第１の膜３０１がｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプ近傍、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型光ガイド層露出面のうちリッジストライプに近い側、およびリッジストライプ側面に形成され、またリッジストライプから離れた位置、すなわちリッジストライプ側面から連続してなるｐ型光ガイド層露出面のうちリッジストライプから遠い側および、ｐ型光ガイド層露出面をエッチングして形成された導波路領域の横方向の端面および該端面から連続してｎ型光ガイド層露出面に絶縁性を有する第２の膜３０２が形成されている。
【００９６】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。
リッジストライプ形成後、リッジストライプの側面の最下部からの距離が７μｍより内側をフォトレジストおよびＺｒＯ２でマスクし、７μｍより外側を、ｎ型光ガイド層の表面が露出するまでエッチングする。
【００９７】
その後は、実施例１と同様に、ｐ側オーミック電極、ｎ側オーミック電極、ＴｉＯ２よりなる第２の絶縁膜、ｐ側パッド電極、ｎ側パッド電極を形成する。このとき第２の絶縁膜はｐ型光ガイド層露出面から導波路領域の共振器面と異なる側面、さらにｎ型コンタクト層露出面にまで渡って形成される。
【００９８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエ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３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。
【００９９】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．５であった。さらに第２の絶縁膜を形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１００】
［比較例１］
各層を積層したあと、図７のように第２の絶縁膜を形成しないで、リッジストライプから離れた位置の窒化物半導体上には第１の絶縁膜４０５が接するように形成される以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザ素子を得る。得られたレーザ素子は、発振波長４００〜４２０ｎｍ、発振しきい値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ２において単一横モードで発振したが、水平横モードのＦＦＰはリップルが発生するものとなる。
【０１０１】
［実施例３］
図８は本発明の他の実施例にかか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。
【０１０２】
図８には、窒化物半導体と異なる異種基板５０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層５０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０３、クラック防止層５０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層５０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層５０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層５０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層５０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層５１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層５０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層５１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプから離れた位置に第２の膜７０２としてＮｂが形成されており、さらに残りのｐ型窒化物半導体層露出面、リッジストライプの側面および第２の膜上および導波路領域の共振器面と異なる側面には絶縁膜７０１が形成されている。
【０１０３】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。次に、フォトレジストを全面に塗布し、ｐ型窒化物半導体露出面のうち、リッジストライプから離れた位置において、第２の膜形成部を露光により露出させる。
【０１０４】
つぎにウエーハをスパッタ装置に入れ、スッパッタリングによりＮｂを３００オングストロームの膜厚で形成した後、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。
【０１０５】
さらにウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる絶縁性を有する第１の膜７０１を、第１の保護膜（マスク）の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第２の膜上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１０６】
第１の膜形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。熱処理以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。なおこの時の共振器長は８００μｍであった。
【０１０７】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．８であった。さらに図１１は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の膜として金属のＮｂを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１０８】
［実施例４］
図８は実施例３で、第２の膜として金属のＮｂを用いるときのレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であるが、これを用いて実施例４を説明する。実施例４は第２の膜として半導体のＩｎＧａＮが形成されたものである。
【０１０９】
まずリッジストライプを形成するまでは実施例１と同様にして形成する。次に、ｐ型窒化物半導体露出面全面に、ＺｎＯよりなる保護膜を形成する。このときＺｎＯよりなる保護膜は、リッジストライプから離れた位置において、第２の膜形成部を除いて形成する。続いてＭＯＶＰＥ装置でＩｎＧａＮを７５０オングストロームの膜厚でリッジストライプ部、ＺｎＯ膜上、ｐ型窒化物半導体層露出面の全面に形成する。そしてウエーハをリン酸と硫酸の混合溶液に浸漬してＺｎＯ膜を除去する。
【０１１０】
次に、ウエーハをスパッタ装置などのＰＶＤ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる絶縁性を有する第１の膜を、第１の保護膜（マスク）の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層の上（リッジストライプ部以外の領域）と、第２の膜上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【０１１１】
第１の膜４０５形成後、ウエーハを６００℃で熱処理する。熱処理以降は実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。なおこの時の共振器長は８００μｍであった。
【０１１２】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．７であった。さらに図１２は本実施例と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較したものであるが、これを見てもわかるように、第２の膜として窒化物半導体のＩｎＧａＮを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１３】
［実施例５］
図９は本発明の他の実施例にかか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。
【０１１４】
図９には、窒化物半導体と異なる異種基板５０１上に、バッファ層、アンドープのＧａＮよりなる下地層５０２、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０３、クラック防止層５０４、アンドープのＡｌＧａＮ／ＳｉドープのＧａＮの超格子からなるｎ型クラッド層５０５、アンドープＧａＮよりなるｎ型光ガイド層５０６、ＳｉドープのＩｎＧａＮからなる障壁層とアンドープのＩｎＧａＮよりなる井戸層とを繰り返し積層することで、多重量子井戸を構成する活性層５０７、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ側キャップ層５０８、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層５０９、アンドープのＡｌＧａＮ／ＭｇドープのＧａＮの超格子からなるｐ型クラッド層５１０、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５１１が順に積層された積層構造となっており、ｎ型コンタクト層５０３が露出され、またｐ型窒化物半導体層が、ｐ型クラッド層５１０が露出するまでエッチングされて、リッジストライプが形成されており、ｐ型窒化物半導体層露出面のうち、リッジストライプから離れた位置に第２の膜３０２としてＮｂが形成されており、さらに残りのｐ型窒化物半導体層露出面、リッジストライプの側面には、絶縁性を有する第１の膜７０１としてＺｒＯ２が形成されており、第２の膜上および導波路領域の共振器面と異なる側面には第１の膜７０１と異なる絶縁性を有する第３の膜７０３としてＳｉＯ２が形成されている。
【０１１５】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．７であった。さらに第２の膜として金属のＮｂを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１６】
［実施例６］
実施例６は第２の膜としてＩｎＧａＮを用いるもので、他の構成は実施例５および図９で示すものと同じである。なお、このときのＩｎＧａＮの形成方法は実施例４と同様にする。
【０１１７】
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ＦＦＰを測定したところ、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、おおよそ１．６であった。さらに第２の膜７０２として窒化物半導体のＩｎＧａＮを形成したことで、戻り光および漏れ光を減少させることができ、比較例１に比べてリップルの発生を大幅に抑制できる。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では導波路領域においてリッジストライプから離れた位置において、戻り光および漏れ光を吸収させる構造とすることで、戻り光およｈび漏れ光を減少させ、ＦＦＰにリップルののらない窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体レーザ素子の導波路領域を示す模式図、
【図２】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図３】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図４】本発明の導波路領域での光導波機構を説明する図、
【図５】本発明の一実施の形態に係る製造方法を説明する模式的断面図、
【図６】本発明の一実施の形態に係る製造方法を説明する模式的断面図、
【図７】比較例として用いた従来の窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図８】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図、
【図９】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面
図、
【図１０】本発明の実施例１に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図、
【図１１】本発明の実施例３に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図、
【図１２】本発明の実施例４に係る窒化物半導体レーザ素子と比較例１との水平横モードにおけるＦＦＰを比較した図。
【符号の説明】
１０１、５０１・・・異種基板、
１０２、５０２・・・下地層、
１０３、５０３・・・ｎ型コンタクト層、
１０４、５０４・・・クラック防止層、
１０５、５０５・・・ｎ型クラッド層、
１０６、５０６・・・ｎ型光ガイド層、
１０７、５０７・・・活性層、
１０８、５０８・・・ｐ側キャップ層、
１０９、５０９・・・ｐ型光ガイド層、
１１０、５１０・・・ｐ型クラッド層、
１１１、５１１・・・ｐ型コンタクト層、
２０１、４０６、６０１・・・ｐ側オーミック電極、
２０２、６０２・・・ｐ側パッド電極、
２０３、６０３・・・ｎ側オーミック電極、
２０４、６０４・・・ｎ側パッド電極、
３０１、４０５、７０１・・・第１の絶縁膜（絶縁性を有する第１の膜）、
３０２、４０８・・・第２の絶縁膜（第２の膜）、
４０１・・・ｐ型窒化物半導体層、
４０２・・・第１の保護膜、
４０３・・・第２の保護膜、
４０４・・・第３の保護膜、
４０７・・・第４の保護膜、
７０２・・・第２の膜、
７０３・・・第３の膜（絶縁性を有する第３の膜）。
Claims (15)
- ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する第１の絶縁膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する第２の絶縁膜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。 - 前記第２の絶縁膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料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の絶縁膜はＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５ 、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＣから選ばれた１つであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記エッチングによって露出された露出面のうち、前記第１の絶縁膜から離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第２の絶縁膜において、前記導波路領域の上部に形成された第２の絶縁膜上には第２の絶縁膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する金属からなる第２の膜が形成され、導波路領域の共振器面と異なる側面には絶縁膜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。 - ｎ型窒化物半導体層と多重量子井戸構造の活性層と、その上に少なくともｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型コンタクト層とが少なくとも順に形成され、該ｐ型コンタクト層側から少なくともｐ型クラッド層が露出するまでエッチングされてリッジストライプが設けられた実効屈折率型の窒化物半導体レーザ素子であって、
エッチングによって露出された露出面のリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面には、導波路領域の屈折率よりも小さい値を有する絶縁性の第１の膜が形成され、リッジストライプから離れた該露出面および導波路領域の共振器面と異なる側面には、導波路領域の屈折率よりも大きい値を有する窒化物半導体からなる第２の膜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。 - 前記第２の膜は導波路領域の屈折率よりも大きい値を有しかつ、レーザ発振波長の光を吸収する材料であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第２の膜は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｉから選ばれた１つからなる金属膜であることを特徴とする請求項７又は請求項９に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記第２の膜はＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記エッチングによって露出された露出面のうち、前記リッジストライプから離れた位置において、さらに少なくとも活性層に接するｎ型窒化物半導体層が露出するまで窒化物半導体がエッチングされていることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して前記第１の膜がリッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面から連続して形成されており、さらに該第１の膜上に、該第１の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記導波路領域の上部に形成された第２の膜上には第２の膜に接して、リッジストライプ近傍およびリッジストライプ側面に形成された前記第１の膜と異なる材料からなる絶縁性を有する第３の膜が形成されており、
さらに該第３の膜上には該第３の膜に接して金属からなるｐ側パッド電極が形成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記導波路領域の共振器面と異なる側面が、リッジストライプ下部の導波路領域で発振したレーザ光が該側面において帰還しない程度に、窒化物半導体層の成長方向に対して傾斜を設けていることを特徴とする請求項７乃至請求項１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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