JPH11340573A

JPH11340573A - 窒化ガリウム系半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH11340573A
Application number: JP14678698A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Okumura; 敏之奥村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、
光ディスクシステムの光源としての使用が可能な、良好
なレーザ発振特性を有する半導体レーザ素子を提供す
る。【解決手段】窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、基
板上に、窒化物半導体からなる少なくともクラッド層及
び／またはガイド層に挟まれた窒化物半導体よりなる活
性層を備えた窒化ガリウム系半導体レーザ素子におい
て、前記活性層に電流を供給するオーミック電極のレー
ザ共振器方向の長さが、レーザ共振器の長さよりも短い
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディクスシステ
ムの光源に用いられる窒化ガリウム系半導体レーザ素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外から緑色の波長領域での発光波長を
有する半導体レーザ素子（ＬＤ）の半導体材料として、
窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられて
いる。この窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ
素子は、例えば、特開平９−２１９５６０号公報に記載
されており、その斜視図を図８に示す。図８において、
２０１はサファイア基板、２０２はＧａＮバッファ層、
２０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、２０４はｎ−Ｉｎ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、２０５はｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッ
ド層、２０６はｎ−ＧａＮガイド層、２０７はＩｎ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層とか
らなる多重量子井戸構造活性層、２０８はｐ−Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎ層、２０９はｐ−ＧａＮガイド層、２１０は
ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層、２１１はｐ−ＧａＮ
コンタクト層、２１２はｐ側電極、２１３はｎ側電極で
ある。ここで、多重量子井戸構造活性層２０７は、２．
５ｎｍ厚のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層が１４層、５．
０ｎｍ厚のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層が１３層、の合計
２７層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成さ
れている。

【０００３】この従来例ではストライプ状のｐ側電極２
１２とｎ側電極２１３とをウェハー上に形成した後、サ
ファイア基板を劈開してレーザ共振器を作製しており、
共振器の端面で各電極は切断されており、各電極の共振
器方向の長さとレーザ共振器の長さは一致していた。

【０００４】一方、窒化ガリウム系半導体を用いた半導
体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いる
場合、データの読み出し時における雑音によるデータの
読み出しエラーを防止するために、一定電流を注入して
も光出力が変調されている自励発振型の半導体レーザ素
子が用いられており、このような半導体レーザ素子は特
開平９−１９１１６０号公報に記載されており、その断
面図を図９に示す。図９において、２２１はｎ−ＳｉＣ
基板、２２２はｎ−ＡｌＮバッファ層、２２３はｎ−Ａ
ｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層、２２４は厚さ５０ｎｍの
Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ活性層、２２５はｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎ第１ｐ型クラッド層、２２６はｐ−Ｉｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎ可飽和吸収層、２２７はｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ
電流ブロック層、２２８はｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ第２
ｐ型クラッド層、２２９はｐ−ＧａＮキャップ層、２３
０はｐ−ＧａＮコンタクト層、２３１はｐ側電極、２３
２はｎ側電極ある。この従来例においては、活性層２２
４で発生した光の一部が可飽和吸収層２２６で吸収され
ることによって可飽和吸収層２２６の吸収係数が変化
し、それに伴って活性層２２４からのレーザ発振による
発光強度が周期的に変化する。その結果、レーザからの
出射光の干渉性が低下する。このように干渉性が低下し
た半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として
用いると、ディスクでの反射光が半導体レーザ素子に戻
ってきても、レーザからの出射光と反射による戻り光が
干渉を起こさないため雑音の発生が抑えられ、データの
読み出しエラーを防止できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の窒
化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は以下の
ような問題点があった。まず、可飽和吸収層を付加した
自励発振型の半導体レーザ素子に関しては、この可飽和
吸収層で活性層から発生する光が吸収されるため、レー
ザ共振器内部での光の損失が増大する。その結果、半導
体レーザ素子の発振閾値電流が増大するとともに、発光
効率が低下してしまうという問題があった。さらにこの
従来の自励発振型半導体レーザ素子では、活性層を挟む
クラッド層の一方にのみ可飽和吸収層を付加している
か、あるいは、活性層を挟むガイド層の一方にのみ可飽
和吸収層を付加しているため、レーザからの出射光の遠
視野像が対称でなくなり、レンズを用いて出射光を集光
する場合に、集光スポットサイズを十分に小さく出来な
い、という問題も生じていた。

【０００６】一方、可飽和吸収層が付加されていない従
来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子に
おいては、従来の自励発振型半導体レーザ素子に見られ
るような発振閾値電流の増大、発光効率の低下、集光ス
ポットサイズを小さく出来ないという問題は発生しない
が、この半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源
として用いると、自励発振しないためディスクからの戻
り光によって雑音が発生し、データの読み出し時に読み
出しエラーを生じていた。従って、可飽和吸収層が付加
されていない従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導
体レーザ素子は光ディスクシステム用の光源として実用
に供することが出来ないという問題があった。

【０００７】本発明は以上のような事情に鑑みてなされ
たものであり、窒化ガリウム系半導体レーザ素子におけ
る課題を解決して、光ディスクシステムの光源としての
使用が可能な、良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリ
ウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような発明を見い出
すにあたって、本発明者は従来素子における前記課題解
決のために詳細に検討を行い、その結果、従来の自励発
振型の半導体レーザ素子で用いられている可飽和吸収層
を用いることなく、簡単な構成で自励発振型の半導体レ
ーザ素子が得られることを見い出した。

【０００９】すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半
導体レーザ素子は、窒化物半導体からなる少なくともク
ラッド層及び／またはガイド層に挟まれた窒化物半導体
よりなる活性層を備えた窒化ガリウム系半導体レーザ素
子において、活性層に電流を供給するオーミック電極の
レーザ共振器方向の長さが、レーザ共振器の長さよりも
短いことを特徴とする。このようにオーミック電極のレ
ーザ共振器方向の長さをレーザ共振器の長さよりも短く
することによって、レーザ共振器方向の一部の活性層に
電流が注入されない領域が形成されることになる。この
時に電流が注入されない領域においてもレーザ光が導波
されることによって、電流が注入されない領域がレーザ
光を吸収する可飽和吸収領域として働く。この可飽和吸
収領域によって、窒化ガリウム系半導体レーザ素子は自
励発振特性を有することができる。一方、従来の窒化ガ
リウム系半導体レーザで用いられていたようなレーザの
共振器方向における活性層のすべての領域に電流を注入
する場合には、可飽和吸収する領域が形成されておら
ず、自励発振特性は得られなかった。

【００１０】また、本発明のように窒化ガリウム系半導
体材料ではなく、砒素化ガリウム系半導体材料（ＡｌＧ
ａＡｓ）や燐化インジウム系半導体材料（ＩｎＧａＡｓ
Ｐ）を用いた場合には、電極の共振器方向の長さを共振
器の長さより短くしたとしても注入された電流が半導体
中で広がってしまい、すべての活性層の領域に電流が注
入されてしまい、自励発振特性が得られなかった。一
方、窒化ガリウム系半導体材料では、電気抵抗値が大き
いことにより電流広がりがほとんど生じていないため
に、電極の形成していない領域の直下の半導体層には電
流が注入されないことが判明し、本発明に至った。

【００１１】さらに、本発明の自励発振を実現する窒化
物系半導体レーザ素子は、電極のレーザ共振器方向の長
さが、レーザ共振器の長さに対して１μｍから１００μ
ｍだけ短くすることにより得られた。この長さの違いが
１μｍより短い場合には可飽和吸収領域となる活性層の
影響が小さいため自励発振特性は得られない。また、こ
の長さの違いが１００μｍより長くなると、可飽和吸収
領域となる活性層の影響が大きくなり、半導体レーザ素
子の光出力−電流特性にヒシテリシスが生じることによ
って光ディスクシステムには用いることができなくな
る。

【００１２】本発明では、レーザ共振器方向の一部に形
成された電流注入されない活性層においてレーザ光が吸
収されることによる発振閾値電流密度の若干の増大を引
き起こしているが、電流注入される共振器方向の長さを
短くしているため発振閾値電流自体は増大することな
く、良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導
体レーザ素子を得ることができる。

【００１３】また、本発明の窒化物系化合物半導体レー
ザ素子がレーザ発振するように十分に大きなレーザ利得
を得るためには、電流注入される活性層領域が適当な長
さが必要であり、このためオーミック電極の長さが１０
０μｍ以上５００μｍ以下とすることが望ましい。１０
０μｍよりも小さい場合には十分に大きなレーザ利得が
得られないため、半導体レーザ素子の発振閾値電流値は
増大し、逆に５００μｍよりも大きいと、活性層に電流
注入される領域が長くなるため発振閾値電流値が増大し
てしまう問題があった。

【００１４】さらに、レーザ共振器方向の長さがレーザ
共振器の長さより短い電極は、ｐ側電極であることが好
ましい。これは、ｐ型窒化物系化合物半導体はｎ型窒化
物系化合物半導体に比べて電気抵抗が大きいため、より
確実に注入された電流が窒化ガリウム系半導体中を広が
ることが防止でき、可飽和吸収領域をより確実に形成で
きるためである。また、ｐ側電極、ｎ側電極の両方とも
にレーザ共振器の長さよりも短くしても構わない。

【００１５】また、本発明のような自励発振型の半導体
レーザを得るためには、活性層内に存在する電子と正孔
の密度が高速で変調される必要があるが、活性層として
用いられる窒化ガリウム系半導体材料は、電子・正孔と
もにその有効質量が大きいことと多数の結晶欠陥が存在
していることにより電子や正孔の移動度が大幅に低下し
ている。従って、発光再結合によって電子・正孔が消滅
しても、拡散により新たに電子と正孔が注入されず、電
子と正孔の密度が変調されにくくなっている。そこで、
本発明のように、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の活
性層を、単一量子井戸層、あるいは、量子井戸層と障壁
層とを交互に積層してなる量子井戸構造活性層からなり
量子井戸層の層数が２以上４以下である多重量子井戸構
造で構成し、さらには、活性層を形成する量子井戸層の
厚さを１０ｎｍ以下とすることにより、活性層全体で電
子と正孔を拡散しやすくして、電子と正孔の密度が変調
されやすくなった。この結果、安定して自励発振特性を
有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。ま
た、多重量子井戸構造で構成された活性層の場合、活性
層を形成する障壁層の厚さが厚すぎると、電子と正孔が
活性層の全体にわたって、均一に分布することが阻害さ
れるために、電子と正孔とが再結合しにくくなってしま
う。この結果、自励発振特性のレーザ特性が悪化してし
まうことになるが、障壁層の厚さを１０ｎｍ以下とすれ
ば正孔と電子とは活性層内で均一に分布することにな
り、良好な自励発振特性を有する窒化ガリウム系半導体
レーザが得られた。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、具体例に従ってさらに詳細
に説明する。（第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例に係る窒
化ガリウム系半導体レーザ素子を示す斜視図である。こ
の図において、１はｃ面を表面として有するサファイア
基板、２はＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コン
タクト層、４はｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層、
５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
量子井戸層と１層のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層とからな
る多重量子井戸構造活性層、７はＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発
防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎｐ型クラッド層、１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタ
クト層、１１はｐ側電極、１２はｎ側電極、１３はＳｉ
Ｏ₂絶縁膜である。

【００１７】本実施例では、ｐ側電極１１のレーザ共振
器方向の長さを３００μｍとし、レーザの共振器の長さ
を３３０μｍとすることによって、ＧａＮ系半導体にお
いてオーミック電極形成された直下に対応する多重量子
井戸構造活性層の領域にのみ電流が供給され、電極が形
成されていない領域に対応する多重量子井戸構造活性層
の領域が可飽和吸収領域として機能するため、自励発振
特性を有する窒化物系化合物半導体レーザ素子が得られ
た。

【００１８】本発明において、サファイア基板１の表面
はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わな
い。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、ＳｉＣ
基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ
基板も用いることが出来る。特にＧａＮ基板とＳｉＣ基
板の場合はサファイア基板に比べて基板上に積層した窒
化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な
結晶性の膜が得られ、さらに劈開しやすいため、劈開に
よるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点が
ある。バッファ層２はその上に窒化ガリウム系半導体を
エピタキシャル成長させることが出来るものであればＧ
ａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ
３元混晶を用いてもよい。

【００１９】ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層９
は、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ
３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活
性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率
差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込
められてさらに発振閾値電流値の低減及び、温度特性の
向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持され
る程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層にお
けるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ
素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれ
らのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混
晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層
９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。

【００２０】ガイド層５、８は、そのエネルギーギャッ
プが、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層
のエネルギーギャップとクラッド層４、９のエネルギー
ギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこ
だわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ３元
混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。また
ガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドー
ピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層６側の
一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層
全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に
存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光
の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できる
という利点がある。また、必ずしもガイド層を必要とす
る訳ではなく、ガイド層を有しないような窒化ガリウム
系半導体レーザであっても半導体レーザ素子として機能
する。

【００２１】多重量子井戸構造活性層６を構成する２層
のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層と１層のＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組
成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子
井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井
戸層のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層
は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元
以上の混晶半導体でもよい。さらにＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。

【００２２】また本実施例では、多重量子井戸構造活性
層６に接するようにＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層７を形
成しているが、これは量子井戸層が成長温度を上昇して
いる間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従っ
て、量子井戸層を保護するものであれば蒸発防止層７と
して用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａ
Ｎ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防
止層７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−
ＧａＮガイド層８やｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッド
層９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さ
らに、量子井戸層のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層
７を形成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特に
蒸発防止層７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウ
ム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。

【００２３】次に、図１〜図３を参照して上記窒化ガリ
ウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明
ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合
を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成
長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成
長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の
気相成長法を用いることもできる。

【００２４】まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を
表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板１上
に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ
₃）を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッフ
ァ層２を３５ｎｍ成長させる。

【００２５】次に成長温度を１０５０℃まで上昇させ
て、ＴＭＧとＮＨ₃、及びシランガス（ＳｉＨ₄）を原料
に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コン
タクト層３を成長する。さらに続けてトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡ）を原料に加え、成長温度は１０５０℃
のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。続けて、ＴＭＡの
供給を止めて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．
０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長す
る。

【００２６】次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧ
とＮＨ₃、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料
に用いて、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎ
ｍ）、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長する
ことにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１
５ｎｍ）６を作製する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡと
ＮＨ₃を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚
さ１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層７を成長す
る。

【００２７】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、及びビスシクロペンタジエニルマ
グネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．０
５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長する。
さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０
℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎｐ型クラッド層９を成長する。続けて、ＴＭＡ
を原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ
０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１
０を成長して、窒化ガリウム系半導体ウエハーを完成す
る。その後、この窒化ガリウム系半導体ウエハーを８０
０℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープの
ｐ型層を低抵抗化する。

【００２８】さらに通常のフォトリソグラフィーとドラ
イエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ
状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面から、ｎ
−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチング
を行い、メサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォ
トリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残
ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面に、２μ
ｍ幅のリッジストライプを形成するようにｐ−ＧａＮｐ
型コンタクト層１０、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッ
ド層９の一部をエッチングする。続いて、リッジストラ
イプの側面とリッジストライプ以外のｐ型層表面に厚さ
２００ｎｍのＳｉＯ₂絶縁膜１３を電流阻止層として形
成する。

【００２９】さらに、このＳｉＯ₂絶縁膜１３とリッジ
ストライプ１４の表面に、ｐ側電極のレーザ共振器に垂
直な方向の幅Ｗｐ＝１５０μｍ、ｐ側電極のレーザ共振
器に平行な方向の幅Ｌｐ＝３００μｍの長方形状にニッ
ケルと金からなるｐ側電極１１を、ｐ側電極間距離Ｄｐ
＝５０μｍの間隔で形成し、エッチングにより露出した
ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極のレー
ザ共振器に垂直な方向の幅Ｗｎ＝１５０μｍ、ｎ側電極
のレーザ共振器に平行な方向の幅Ｌｎ＝３００μｍの長
方形状にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１２を
ｎ側電極間距離Ｄｎ＝５０μｍの間隔で形成して、窒化
ガリウム系半導体ウエハーを完成する。この時の窒化ガ
リウム系半導体ウエハーの上面図を図２に示す。図２に
示す半導体レーザ素子ウエハーでは、半導体レーザ素子
を３つ並べたように配置している。

【００３０】その後、このウエハーをリッジストライプ
１４と垂直な方向に半導体レーザ素子の共振器を作成す
るために、通常のフォトリソグラフィー法とドライエッ
チング法を用いてオーミック電極が形成されていない領
域（間隔Ｄｐの間）をドライエッチングすることによっ
てレーザ共振器端面を形成する。図３に、本発明の作製
工程におけるドライエッチングを施す時点の上面図を示
す。この時、電極と共振器端面との距離Ｌ１、Ｌ２はと
もに１５μｍ、ドライエッチングする領域の長さＬ３は
２０μｍとする。続いて、この窒化ガリウム系半導体ウ
エハーを個々のレーザチップとして分割する。そして、
各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディング
により各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム
系半導体レーザ素子を完成する。

【００３１】以上のようにして作製された半導体レーザ
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流３０ｍＡと
いう良好なレーザ特性が得られた。また、本実施の形態
の半導体レーザ素子では、オーミック電極の共振器方向
の長さが半導体レーザ素子の共振器の長さより３０μｍ
だけ短かくすることで、電極が形成されていない領域に
対応する活性層の領域が可飽和吸収領域として機能する
ので、自励発振することも確認された。この結果、光デ
ィスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導
体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防
止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体
レーザ素子が実現できた。

【００３２】本実施例では、サファイア基板は硬くて劈
開しにくいので、共振器端面を形成するために電極が形
成されていない領域をドライエッチングすることで半導
体レーザ素子の共振器端面を形成している。従来技術の
ように共振器端面で電極を切断している場合には、電極
材料がドライエッチングされにくいため、電極材料をエ
ッチングできるエッチング条件では共振器端面が荒れ
て、その結果、レーザ光の反射率が低下してレーザ発振
のための閾値電流が増加する問題が生じていた。本実施
の形態のように、電極の形成していない部分をエッチン
グする場合には、上記のような問題が生じることがな
く、レーザ共振器面として使用できるきれいな表面を有
する共振器面が得られる。また、本実施の形態では電極
を形成後にドライエッチングにより共振器面を形成した
が、ドライエッチングにより共振器面を形成後に電極を
形成してもよい。

【００３３】本実施の形態では、オーミック電極のレー
ザ共振器方向の長さを３００μｍとし、レーザ共振器の
長さよりも３０μｍだけ短くしたが、オーミック電極の
レーザ共振器方向の長さが１００μｍ以上５００μｍ以
下であり、レーザ共振器の長さとの違いが１μｍ以上１
００μｍ以下であれば、本実施の形態と同様の効果が得
られる。また、本実施の形態では共振器と電極との共振
器方向の距離Ｌ１、Ｌ２を共に１５μｍとしたが、Ｌ
１、Ｌ２を同じ距離にする必要はなく、少なくとの一方
の共振器面から１μｍ以上電極が形成されない領域が存
在すれば構わない。

【００３４】なお、本実施例では多重量子井戸構造活性
層６を構成する量子井戸層と障壁層の層厚をともに５ｎ
ｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異
なっていても構わない。また量子井戸層と障壁層の各層
厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施例にこだわらず、他
の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量子井戸
構造活性層６の量子井戸層数は３層や４層でもよく、単
一量子井戸構造活性層でも構わない。

【００３５】さらに本実施例では絶縁体であるサファイ
アを基板として用いたため、エッチングにより露出した
ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１２を
形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ、ＳｉＣ、
Ｓｉ、ＧａＡｓ等を基板に用いれば、この基板の裏面に
ｎ側電極１２を形成してもよい。この場合には、特に２
００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製する必要は
なく、共振器方向のｐ側電極の長さを共振器の長さより
短くなるようにすれば、ｎ側電極は裏面全面に形成され
ていても構わない。さらには、電流阻止層であるＳｉＯ
₂絶縁膜１３は、ＳｉＮ等の他の誘電体絶縁膜やｎ型導
電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いても構わな
い。また、窒化物系半導体のｐ型とｎ型の構成を逆にし
ても構わない。

【００３６】（第２の実施例）基板として用いたサファ
イアの厚さを１００μｍと薄くしたこと以外は、第１の
実施例と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウ
エハーをまず作製する。この時、第１の実施例と同様に
図２に示されるように、Ｗｐ＝１５０μｍ、Ｌｐ＝３０
０μｍの長方形状にニッケルと金からなるｐ側電極１１
を、Ｄｐ＝５０μｍの間隔で形成し、Ｗｎ＝１５０μ
ｍ、Ｌｎ＝３００μｍの長方形状にチタンとアルミニウ
ムからなるｎ側電極１２をＤｎ＝５０μｍの間隔で形成
している。

【００３７】その後、このウエハーをリッジストライプ
１４と垂直な方向に半導体レーザ素子の共振器を作成す
るために、線Ａ−Ｂに沿ってリッジストライプ１４と垂
直な方向に劈開することによってレーザ共振器端面を形
成する。図４に、本発明の作製工程における劈開する時
点の上面図を示す。この時電極と共振器面との距離Ｌ
１’、Ｌ２’は共に２５μｍ、半導体レーザ素子の共振
器長Ｌ４は３５０μｍとしている。続いて、この窒化ガ
リウム系半導体ウエハーを個々のレーザチップとして分
割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイ
ヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続し
て、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。

【００３８】以上のようにして作製された半導体レーザ
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流３０ｍＡと
いう良好なレーザ特性が得られた。また、本実施の形態
の半導体レーザ素子では、オーミック電極の共振器方向
の長さが半導体レーザ素子の共振器の長さより５０μｍ
だけ短かくすることで、電極が形成されていない領域に
対応する活性層の領域が可飽和吸収領域として機能する
ので、自励発振することも確認された。この結果、光デ
ィスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導
体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防
止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体
レーザ素子が実現できた。

【００３９】本実施例では、サファイア基板の厚さを１
００μｍ以下まで薄くすることにより劈開が可能となる
ことを利用しているが、この場合にはサファイア基板は
非常に固いので劈開する部分に大きな荷重を掛けて劈開
する必要がある。劈開する部分に電極を形成している場
合には、電極に大きな荷重が掛かることにより電極が変
形して劈開面よりはみ出すことになる。これによって、
電極が電気的に短絡を引き起こすことがあり、半導体レ
ーザ素子の生産歩留まりが低下する。従って、電極が形
成されていない部分を劈開して共振器面を作製すること
が好ましい。

【００４０】本実施の形態では、オーミック電極のレー
ザ共振器方向の長さを３００μｍとし、レーザ共振器の
長さよりも５０μｍだけ短くしたが、オーミック電極の
レーザ共振器方向の長さが１００μｍ以上５００μｍ以
下であり、レーザ共振器の長さとの違いが１μｍ以上１
００μｍ以下であれば、本実施の形態と同様の効果が得
られる。また、本実施の形態では共振器と電極との共振
器方向の距離Ｌ１’、Ｌ２’を共に２５μｍとしたが、
Ｌ１’、Ｌ２’を同じ距離にする必要はなく、少なくと
の一方の共振器面から１μｍ以上電極が形成されない領
域が存在すれば構わない。

【００４１】（第３の実施例）基板として厚さ５０μｍ
の絶縁性ＧａＮ基板を用いたこと以外は、第１の実施例
と同様にして窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハー
をまず作製する。この時、第１の実施例と同様に図２に
示されるように、Ｗｐ＝１５０μｍ、Ｌｐ＝３００μｍ
の長方形状にニッケルと金からなるｐ側電極１１を、Ｄ
ｐ＝５０μｍの間隔で形成し、Ｗｎ＝１５０μｍ、Ｌｎ
＝３００μｍの長方形状にチタンとアルミニウムからな
るｎ側電極１２をＤｎ＝５０μｍの間隔で形成してい
る。

【００４２】その後、このウエハーをリッジストライプ
と垂直な方向に半導体レーザ素子の共振器を作成するた
めに、線Ｃ−Ｄに沿ってリッジストライプと垂直な方向
に劈開することによってレーザ共振器端面を形成する。
図５に、本発明の作製工程における劈開する時点の上面
図を示す。この時電極の長さＬ５、Ｌ６は共に１５０μ
ｍ、半導体レーザ素子の共振器長Ｌ７は３５０μｍとし
ているので、半導体レーザの共振器の長さと電極の共振
器方向の長さの総和との差は５０μｍである。続いて、
窒化ガリウム系半導体ウエハーを個々のレーザチップと
して分割する。そして、各チップをステムにマウント
し、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子と
を接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成す
る。

【００４３】以上のようにして作製された半導体レーザ
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流３０ｍＡと
いう良好なレーザ特性が得られた。また、本実施の形態
の半導体レーザ素子では、オーミック電極の共振器方向
の長さを半導体レーザ素子の共振器の長さより５０μｍ
だけ短かくすることで、電極が形成されていない領域に
対応する活性層の領域が可飽和吸収領域として機能する
ので、自励発振することも確認された。この結果、光デ
ィスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導
体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防
止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体
レーザ素子が実現できた。

【００４４】尚、本実施例では、電極が形成されている
領域を劈開しているが、厚さ５０μｍのＧａＮ基板の場
合にはサファイア基板に比べて劈開しやすいので、大き
な荷重を掛ける必要がなく、電極が形成されている領域
を劈開しても電極の変形は生じず、生産歩留まりの低下
は生じない。本実施例のように共振器面まで電極が形成
されていると、半導体レーザ素子の内部において共振器
面までレーザ光の横モードが安定することで、レーザ光
の非点収差が低減されるため、レーザ光をレンズで集光
した場合のスポット径が小さくできるという利点があ
る。但し、ＧａＮ基板でも厚さが大きくなると、劈開の
際に大きな荷重を必要とするので、厚さが厚い場合には
生産歩留まりを向上させるためには第２の実施例と同様
に電極が形成されていない領域を劈開して共振器端面を
形成することが好ましい。

【００４５】本実施の形態では、オーミック電極のレー
ザ共振器方向の長さの総和を３００μｍとし、レーザ共
振器の長さよりも５０μｍだけ短くしたが、オーミック
電極のレーザ共振器方向の長さが１００μｍ以上５００
μｍ以下であり、レーザ共振器の長さとの違いが１μｍ
以上１００μｍ以下であれば、本実施の形態と同様の効
果が得られる。また、本実施の形態では２つに分割され
たオーミック電極の長さＬ５、Ｌ６をそれぞれ同じ１５
０μｍとしたが、それぞれの長さが異なっていても構わ
ない。更に、オーミック電極が３つに分割されている場
合でも同様の効果が得られる。オーミック電極のレーザ
共振器方向の長さが１００μｍ以上５００μｍ以下であ
り、レーザ共振器の長さとの差が１μｍ以上１００μｍ
以下であれば構わない。

【００４６】さらに、本実施例では絶縁性のＧａＮ基板
を用いたため、ｎ側電極をエッチングにより露出させた
ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層の表面にｎ側電極を形成し
たが、ｎ型ＧａＮ基板を用いた場合には、ｎ側電極をｎ
型ＧａＮ基板裏面側に形成してもよい。この場合にはｐ
側電極を第１乃至３の実施例のいずれかに示す形状にし
ておけば、ｎ型ＧａＮ基板裏面全面に形成しても構わな
い。

【００４７】（第４の実施例）リッジストライプの側面
と、リッジストライプ以外のｐ型層表面に形成する電流
阻止層として、第３の実施例で用いたＳｉＯ₂絶縁膜１
３の代わりに、厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ
_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層１５を用いたこと以外は、電極形成工
程前まで第３の実施例と同様に窒化ガリウム系半導体レ
ーザ素子ウエハーを作製した。

【００４８】続いて、この窒化ガリウム系半導体レーザ
素子ウエハーの表面に、リッジストライプ１４と垂直な
方向に幅１０μｍのＳｉＯ₂絶縁膜（厚さ２００ｎｍ）
からなるストライプ２１を２９０μｍの間隔で形成す
る。この時の窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハー
の上面図を図６に示す。さらに、ストライプ２１とリッ
ジストライプ１４とＳｉドープｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ
層１５との表面にニッケルと金からなるｐ側電極２２を
形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コン
タクト層にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極２３
を形成している。

【００４９】その後、このウエハーをリッジストライプ
１４と垂直な方向にレーザの共振器を作製するために、
線Ｅ−Ｆに沿ってリッジストライプと垂直な方向に劈開
することによってレーザ共振器端面を形成する。この時
の窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーの上面図を
図７に示す。この時、ストライプ２１と共振器面との距
離Ｌ８、Ｌ９は共に１４５μｍ、半導体レーザの共振器
長Ｌ１０は３００μｍとしている。続いて、この窒化ガ
リウム系半導体ウエハーを個々のレーザチップとして分
割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイ
ヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続し
て、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。

【００５０】以上のようにして作製された半導体レーザ
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値電流２５ｍＡと
いう良好なレーザ特性が得られた。また、本実施の形態
の半導体レーザ素子では、ＳｉＯ₂絶縁膜からなるスト
ライプ２１が形成されている領域ではｐ−ＧａＮｐ型コ
ンタクト層とｐ側電極及びｎ側電極とオーミック接触し
ていないために、この領域には電流が注入されない。す
なわち、窒化ガリウム系半導体層とオーミック接触する
電極の共振器方向の長さとレーザ共振器の長さとの差が
１０μｍだけ短くなっている。従って、ストライプ２１
が形成されている領域に対応する活性層の領域が可飽和
吸収領域として機能するので、半導体レーザ素子は自励
発振することも確認された。この結果、光ディスクシス
テム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素
子を用いると、データの読み出しエラーを防止すること
ができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子
が実現できた。

【００５１】本実施の形態では、オーミック電極のレー
ザ共振器方向の長さを２９０μｍとし、レーザ共振器の
長さよりも１０μｍだけ短くしたが、オーミック電極の
レーザ共振器方向の長さが１００μｍ以上５００μｍ以
下であり、レーザ共振器の長さとの違いが１μｍ以上１
００μｍ以下であれば、本実施の形態と同様の効果が得
られる。また、本実施の形態では２つに分割された電極
の共振器方向の距離Ｌ８、Ｌ９を共に１４５μｍとした
が、距離Ｌ８、Ｌ９を同じ距離にする必要はなく、少な
くとも一方の共振器面から１μｍ以上１００μｍ以下の
電極が形成されない領域が存在すれば構わない。また、
レーザ共振器端面を形成するための劈開をストライプ２
１で行っても構わない。

【００５２】さらに、本実施例では絶縁性のＧａＮ基板
を用いたが、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮコン
タクト層の表面にｎ側電極を形成しているが、ｎ型導電
性を有するＧａＮを基板に用いれば、この基板の裏面に
ｎ側電極を形成してもよい。このとき少なくともストラ
イプ２１を図７に示す形状に形成すれば、ｎ側電極は基
板裏面全面に形成されていても構わない。

【００５３】

【発明の効果】上述したように本発明による窒化ガリウ
ム系半導体レーザ素子では、レーザ共振器の方向の一部
の活性層において、電流が供給されない領域が形成され
ることになり、この電流が供給されない領域では発光が
導波されて発光を吸収することになり、結果として可飽
和吸収領域の役割を果たすことになり、自励発振特性を
有することができた。これにより、良好なレーザ発振特
性を有し、光ディスク用として使用可能な、データの読
み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レ
ーザ素子が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子
を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図３】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図６】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図７】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ素子
の製造工程を示す上面図である。

【図８】従来の半導体レーザ素子を示す斜視図である。

【図９】従来の自励発振型の窒化ガリウム系半導体レー
ザ素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１サファイア基板２ＧａＮバッファ層３ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層５ｎ−ＧａＮガイド層６多重量子井戸構造活性層７Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層８ｐ−ＧａＮガイド層９ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッド層１０ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１ｐ側電極１２ｎ側電極１３ＳｉＯ₂絶縁膜１４リッジストライプ１５Ｓｉドープｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、窒化物半導体からなる少なく
ともクラッド層及び／またはガイド層に挟まれた窒化物
半導体よりなる活性層を備えた窒化ガリウム系半導体レ
ーザ素子において、前記活性層に電流を供給するオーミ
ック電極のレーザ共振器方向の長さが、レーザ共振器の
長さよりも短いことを特徴とする窒化ガリウム系半導体
レーザ素子。
【請求項２】前記オーミック電極のレーザ共振器方向
の長さと前記レーザ共振器の長さとの差が１μｍ以上１
００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の
窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項３】前記オーミック電極のレーザ共振器方向
の長さが１００μｍ以上５００μｍ以下であることを特
徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系半導体
レーザ素子。
【請求項４】前記オーミック電極はｐ側電極であるこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化
ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項５】前記活性層が、単一量子井戸層からなる
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒
化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項６】前記活性層が、量子井戸層と障壁層とを
交互に積層してなる量子井戸構造活性層からなり、量子
井戸層の層数が２以上４以下であることを特徴とする請
求項１乃至４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体
レーザ素子。
【請求項７】前記活性層を形成する量子井戸層の厚さ
が、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５又は
６に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
【請求項８】前記活性層を形成する障壁層の厚さが、
１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６又は７に
記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。