半導体レーザ素子及びその製造方法
【課題】主としてＦＦＰに優れた半導体レーザ素子を得ること課題とする。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層１０１と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂとを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層１０２と、窒化物半導体からなる活性層１０７と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層１１１と、を順に備える。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層１０１と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂとを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層１０２と、窒化物半導体からなる活性層１０７と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層１１１と、を順に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子が開発されている。係る半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光が他の層に伝搬して、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）等に悪影響を及ぼす場合がある。活性層から漏れ出した光は、レンズを通してビーム径を絞ったとしても、ＦＦＰにおいてノイズとして確認される。例えば、レーザ光を用いてレーザスキャンにより画像を直接描画するようなレーザディスプレイの場合、漏れ光があることによりビーム形状がぼやけてしまい、画像の解像度を落としてしまう。したがって半導体レーザ素子において漏れ光の抑制は大きな課題である。
【０００３】
この問題を解決するために、種々の提案がされている。例えば、特許文献１の段落１５には「自然放出光吸収層がインジウムを含むため、自然放出光吸収層のエネルギーギャップが、窒化物半導体から放出される自然放出光のエネルギーよりも小さくなるようにできるので、自然放出光を確実に吸収できる」と記載されており、活性層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有する「自然放出光吸収層」を設けることで、光を吸収することができる旨が記載されている。また、特許文献２の段落７には「Ｉｎを含む窒化物半導体であって、アモルファス領域を有する光吸収層が形成される構成とする。アモルファス領域を形成すれば、少なくとも可視光領域の光は吸収することができる。」と記載されており、アモルファス領域を形成することで光を吸収できる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６８７８４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の「自然放出光吸収層」は活性層からの光を吸収するために活性層よりも小さなバンドギャップエネルギーを有する必要がある。窒化物半導体の場合、Ｉｎの量を多くすることでバンドギャップエネルギーを小さくすることができるが、Ｉｎの量を多くすると結晶性が悪化してしまい、その後に成長する他の層を結晶性良く成長できないという問題があった。さらに、特許文献２の「光吸収層」であってもその結晶性については改善の余地があった。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、主にＦＦＰに優れた半導体レーザ素子を得ること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層とを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層と、窒化物半導体からなる活性層と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層と、を順に備える。
【０００８】
本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層を準備する工程と、下部コンタクト層上に窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層とを含む超格子構造を形成する工程と、超格子構造上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層上に窒化物半導体からなる上部コンタクト層を形成する工程と、加熱することにより超格子構造に暗色領域を形成し光吸収層とする工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、主にＦＦＰ及び偏光特性に優れた導体レーザ素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子における光吸収層の積層構造を示す模式断面図である。
【図３】ウエハの外観写真である。
【図４】ウエハのＣＬ像である。
【図５】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子の発光状態の端面写真である。
【図６】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状を示すグラフである。
【図７】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図８】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図９】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子の偏光特性を示すグラフである。
【図１０】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子の端面写真である。
【図１１】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状を示すグラフである。
【図１２】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図１３】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図１４】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１５】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子の偏光特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子及びその製造方法を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子１００の断面図を図１に、半導体レーザ素子１００の光吸収層１０２部分における部分拡大図を図２に示す。半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層１０１と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂとを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層１０２と、窒化物半導体からなる活性層１０６と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層１１１と、を順に備える。ここで、光吸収層１０２に暗色領域を形成するには、Ｉｎを含有する第１層１０２ａを加熱する必要がある。詳細は不明だが、加熱することで第１層１０２ａが部分的に分解し、Ｉｎの多い領域が偏析するためと考えられる。
【００１３】
光吸収層１０２を第１層１０２ａと第２層１０２ｂとを含む超格子構造とすることにより、結晶性のよい漏れ光の抑制に優れた半導体レーザ素子とすることができる。以下、そのメカニズムについて説明する。なお、本明細書では活性層１０７から漏れ出した光を「迷光」ともいう。さらに、活性層からの光が各層の発光エネルギーより短波長である場合は、各層で光が吸収され再発光することがあるが、本明細書では再発光した光も「漏れ光」又は「迷光」として扱うものとする。
【００１４】
先ず、第１層１０２ａを加熱により分解する際、第２層１０２ｂがあることによって第１層１０２ａの過度な分解が抑制されるので、第１層１０２の結晶性を必要以上に悪化させることなく暗色領域を安定して形成することができる。第２層１０２ｂがないと、第１層１０２ａの分解が連鎖的に急速に進んでしまい（場合によっては空洞が形成される場合さえある）、その部分から転位が発生しやすくなり、結晶性を大きく損なってしまう。特に、本実施形態では光吸収層１０２を超格子構造とし、第２層１０２ｂを薄膜としているので、第１層１０２ａを確実に分解しつつ過度な分解を抑制しているものと考えられる。
【００１５】
また、暗色領域を生じさせるにはＩｎを含む第１層１０２ａが必要となるが、第１層１０２ａはＩｎを含むがゆえに結晶性に劣るという問題がある。そこで、光吸収層１０２を、第１層１０２ａのみで構成するのではなく、暗色領域の発生には関与しないがＩｎを含まないがゆえに結晶性に優れた第２層１０２ｂを含めた超格子構造としている。光吸収層１０２を超格子構造とし第１層１０２ａ及び第２層１０２ｂを比較的薄膜とすることで、光吸収層１０２の結晶性に起因した転位の発生を抑制することができる。さらに、第１層１０２ａ間に結晶性に優れた第２層１０２ｂを介在させることで、光吸収層１０２における結晶性の低下を抑制することができる。光吸収層１０２の結晶性が悪いとその後に成長する他の層もその結晶性を引き継ぐので歩留まりを低下させてしまう。
【００１６】
さらに、光吸収層１０２を超格子構造とし第１層１０２ａを複数設けることで、暗色領域を平面的ではなく立体的に設けることができる（つまり、暗色領域を膜厚方向に複数形成することができる。）。これにより、光吸収層１０２をより暗色にすることができるので、迷光をより除去しやすくことができる。
【００１７】
ここで、本明細書において「窒化物半導体」とは窒素を含む半導体であり、代表的には一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で示すことができる。また、本明細書では説明の便宜のため「下部」又は「上部」という文言を用いているが、それらは各層を成長させるための基板を基準にしていることは言うまでもない。つまり、基板に近い側又は基板そのものの位置を「下部」とし、基板から遠い側の位置を「上部」としており、例えば「下部コンタクト層」を上とし「上部コンタクト層」を下とした場合であっても本発明の範囲内とする。さらに、本明細書における「超格子構造」とは、第１層１０２ａ及び第２層１０２ｂを一組としたときにこれが２組以上積層された構造をいい、それぞれの膜厚が１５ｎｍ以下のものをいう。
【００１８】
以下、半導体レーザ素子１００を構成する主な構成要素について説明する。
【００１９】
（下部コンタクト層）
下部コンタクト層１０１は下部電極１１４を設けるための層である。下部コンタクト層１０１は、典型的にはｎ型導電性を示す。係る場合、下部電極１１４とのオーミック性を確保するために、下部コンタクト層１０１にはＳｉ、Ｏ等のｎ型不純物をドープすることができる。
【００２０】
半導体レーザ素子１００では、下部コンタクト層１０１として窒化物半導体基板（代表的にはＧａＮ基板）を用いている。他にも、サファイア等の異種基板上に成長した窒化物半導体層を下部コンタクト層として用いることもできる。ただし、窒化物半導体基板は屈折率が窒化物半導体からなる他の層と同一か同程度でその膜厚が比較的厚いので、活性層から発光した光は下部クラッド層より外側にある窒化物半導体基板内に伝搬し易い。そのため、窒化物半導体基板内に光が閉じ込められて迷光になりやすく、ＦＦＰ等に悪影響を及ぼしやすい。したがって、迷光除去の効果を得るには、下部コンタクト層１０１として窒化物半導体基板を用いた場合がより効果的である。
【００２１】
（光吸収層）
光吸収層１０２は、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂと、を含む超格子構造であると共に、暗色領域を有する層である。Ｉｎを含有する第１層１０２ａを加熱することで、光吸収層１０２に暗色領域を設けることができる。暗色になるメカニズムの詳細は不明だが、加熱することで第１層が部分的に分解し、Ｉｎの多い領域が偏析するものと考えられる。
【００２２】
ここで、本明細書における「Ｉｎを含まない第２層」とは、Ｉｎを完全に含まない場合だけでなくＩｎを実質的に含まない場合も含むものとする。つまり、第２層１０２ｂが微量のＩｎを含む場合であっても、結晶性および暗色領域の発生に悪影響を及ぼさない程度の量であれば本発明の範囲内とする。
【００２３】
加熱する方法は限定されないが、第１方法として、光吸収層１０２を形成した後で他の層を成長させる際、又は他の層を成長させる間に成長装置炉内を昇温することで光吸収層１０２を加熱することができる。これにより、複雑な工程を経ずに光吸収層１０２に暗色領域を形成することができる。他にも、第２方法として、半導体層を全て形成した後で、光吸収層１０２にレーザ照射して加熱することもできる。例えば、成長装置から各層が積層されたウエハを取り出した後、フェムト秒レーザを用いて、光吸収層１０２を選択的に照射し加熱することができる。この手法では、光吸収層１０２に暗色領域を形成するために各層の成長中に必要以上に成長温度を上げる必要がないので、結晶性のよい量産性に優れた半導体レーザ素子とすることができる。さらに第２方法では光吸収層１０２の任意の領域にレーザ照射することができるので、例えば半導体レーザ素子１００の光導波路領域の下方にのみ暗色領域を形成することもできる。第１方法と第２方法を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
第１層１０２ａはＩｎＧａＮからなり、第２層１０２ｂはＧａＮからなることが好ましい。結晶性の低下をより抑制し暗色領域を再現性よく形成することができるからである。
【００２５】
光吸収層１０２を構成する超格子構造のペア数は、好ましくは３ペア以上３０ペア未満、より好ましくは５ペア以上２５ペア未満、さらに好ましくは８ペア以上２０ペア未満とすることができる。また光吸層の総膜厚は、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満、より好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ未満、さらに好ましくは３０ｎｍ以上８０ｎｍ未満とすることができる。ペア数が少なすぎたり、膜厚が薄すぎたりすると暗色領域が少なくなるため光吸収の効果が弱まり、ペア数が多すぎたり膜厚が厚すぎると結晶の低下を伴うためである。
【００２６】
第１層１０２ａの膜厚は、好ましくは０．５ｎｍ以上９ｎｍ未満、より好ましくは１．０ｎｍ以上６ｎｍ未満、さらに好ましくは１．０ｎｍ以上４ｎｍ未満とすることができる。第１層１０２ａの膜厚が薄すぎると暗色領域が生じにくくなり、第１層１０２ａの膜厚が厚すぎると結晶性の低下を伴ってしまうからである。第２層１０２ｂの膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ未満、より好ましくは１．５ｎｍ以上６ｎｍ未満、さらに好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。第２層１０２ｂの膜厚が薄すぎると結晶性が悪化してしまい、第２層１０２ｂの膜厚が厚すぎると第１層１０２ａでの暗色領域の発生を妨げてしまうからである。第２層１０２ｂの膜厚が厚すぎると第１層１０２ａでの暗色領域の発生を妨げる理由は明らかでないが、第１層１０２ａに隣接する第２層１０２ｂが厚いことで、第１層１０２ａにおいてＩｎの偏析が生じにくいためであると考えられる。
【００２７】
第１層１０２ａがＩｎＧａＮからなる場合、そのＩｎ量は好ましくは５％以上３０％未満、より好ましくは８％以上２５％未満、さらに好ましくは１０％以上２０％未満とすることができる。Ｉｎ量が少なすぎると暗色領域が発生し難くなり、Ｉｎ量が多すぎると結晶性の低下を伴うからである。
【００２８】
第２層１０２ｂの成長温度を第１層１０２ａよりも高くすることにより結晶性のよい良好なものが得られる。また、第２層１０２ｂの成長温度を上げる前に、例えば２ｎｍ程度の薄膜のＧａＮまたはＡｌＧａＮを成膜することにより、第１層１０２ａからのＩｎ抜けや結晶性の低下を効果的に防ぐことができる。また、成長温度上昇時のＮＨ３流量を少なくすることによっても、１０２ａからのＩｎ抜けを抑制することができる。Ｉｎの離脱を抑制することで、後述する暗色領域をより容易に形成することができる。
【００２９】
光吸収層１０２は下部電極１１４が形成される下部コンタクト層１０１と上部電極１１３が形成される上部コンタクト層１１１との間に設けられているので、光吸収層１０２自体にも通電させる必要がある。したがって、光吸収層１０２にはＳｉ等の不純物をドープすることが好ましいが、ノンドープで成長させることもできる。光吸収層１０２に不純物をドープする場合、第１層１０２ａ又は第２層１０２ｂの少なくとも一方の全体または一部に不純物をドープすることができる。
【００３０】
下部コンタクト層１０１及び光吸収層１０２がｎ側にある場合、下部コンタクト層１０１と光吸収層１０２（平均組成）にバンドギャップエネルギーのオフセットがあると、電子帯にスパイクが生じ動作電圧が上昇しやすい。そこで、下部コンタクト層１０１と光吸収層１０２との間に、下部コンタクト層１０１よりもキャリア濃度が高い層を設けることができる。これによりフェルミ準位をより電子帯側に形成することができるので、スパイクを下げ電子の移動を容易にし、電圧上昇を抑制することができる。この層は、ＧａＮであることが望ましいが、ＩｎＧａＮでもＡｌＧａＮでも良い。膜厚は１０〜２００Åとすることができる。
【００３１】
（Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層１０４）
半導体レーザ素子１００は、光吸収層１０２と活性層との間に、光吸収層１０２から順に、窒化物半導体からなり第１層１０２ａよりも少ない量のＩｎを有するＩｎ含有層１０３と、窒化物半導体からなりＩｎを含まないＩｎ非含有層１０４と、を有することができる。
【００３２】
暗色領域を形成するためには、第１層１０２ａのＩｎ量をある程度多くしその膜厚をある程度大きくする必要があるが、そうすると例え光吸収層１０２を上記構成としたとしても、後に成長する活性層１０７等の他の層の結晶性が悪化する場合がある。係る場合、光吸収層１０７と活性層１０７等の間に結晶性に優れたＩｎ非含有層１０４を設けることが考えられるが、光吸収層１０２上にＩｎ非含有層１０４を直接形成すると、大きな格子不整合のため新たに結晶欠陥が入ったりしてしまうことがあり、その結晶性が十分に回復しない傾向にある。そこで、光吸収層１０２とＩｎ非含有層１０４との間に、第１層１０２ａよりもＩｎ量が少ないＩｎ含有層を介在させることにより、光吸収層１０２とＩｎ非含有層１０４との格子不整合による応力を緩和することができ、より結晶性のよい半導体レーザ素子とすることができる。
【００３３】
ここで、本明細書における「Ｉｎを含まないＩｎ非含有層」とは、Ｉｎを完全に含まない場合だけでなく、Ｉｎを実質的に含まない場合も含むものとする。例えば、Ｉｎ非含有層に微量のＩｎが含まれる場合であっても、結晶性回復の効果に悪影響を与えない場合がある。したがって、係る場合であれば、Ｉｎ非含有層が微量のＩｎを含むとしても本発明の範囲内とする。
【００３４】
Ｉｎ含有層１０３をＩｎＧａＮとし、Ｉｎ非含有層１０４をＧａＮとすることができる。これにより上記効果をより顕著に得ることができる。
【００３５】
一方、Ｉｎ含有層１０３の屈折率をＩｎ非含有層１０４よりも高くすることにより、光吸収層１０２での光吸収をより促進させることができる。つまり、光吸収層１０２のみでは膜厚が薄く、光吸収層１０２での光閉じ込めが十分でない場合であっても、光吸収層１０２とＩｎ含有層１０３とが一体となってＩｎ非含有層１０４よりも屈折率の高い領域となる。そのため光吸収層１０２内部に光を閉じ込めやすくすることができ、光吸収層１０２での光吸収がより容易となる。また、光吸収層１０２と下部コンタクト層１０１との間に、下部コンタクト層１０１よりも屈折率の高いＩｎＧａＮ等の層（図示せず）を設けても、光閉じ込めについて同様の作用効果が期待できる（応力緩和の効果についても同様に期待できる。）。
【００３６】
Ｉｎ含有層１０３の膜厚は、好ましくは４０ｎｍ以上３００ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１５０ｎｍ未満とすることができる。Ｉｎ含有層１０３が薄すぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ含有層１０３が厚すぎると逆に結晶性が低下してしまうからである。Ｉｎ非含有層１０４の膜厚は、好ましくは２００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満、より好ましくは３００ｎｍ以上８００ｎｍ未満、さらに好ましくは４００ｎｍ以上６００ｎｍ未満とすることができる。Ｉｎ非含有層１０４が薄すぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ非含有層１０４が厚すぎると成長時間が必要以上にかかったりウエハに反りが生じたりするからである。
【００３７】
Ｉｎ含有層１０３がＩｎＧａＮからなる場合、そのＩｎ量は好ましくは１％以上７％未満、より好ましくは１％以上５％未満とすることができる。Ｉｎ量が少なすぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ量が多すぎると逆に結晶性の低下を伴うからである。
【００３８】
Ｉｎ非含有層１０４は、実施例で説明する下部クラッド層１０５を兼ねることもできる。つまり、Ｉｎ非含有層１０４を下部クラッド層として形成することもできる。この場合、Ｉｎ非含有層１０４にＡｌを含有させてもよい。
【００３９】
ここで、光吸収層１０２等を設けても結晶性が悪化しないことを確認するため、下部コンタクト層１０１上に、光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３、Ｉｎ非含有層１０４を順に積層した後で周囲温度を約１１９０℃とし暗色化させたウエハの外観及び転位密度を確認した。成長条件は次のとおりである。
【００４０】
先ず、下部コンタクト層１０１として市販のＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の転位密度は１０５／ｃｍ３台であった。
【００４１】
次に、成長温度を約１１６０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを０．１μｍ成長させた。この層は、ＧａＮ基板上に窒化物半導体層を再成長するための下地層である。
【００４２】
次に、成長温度を約９２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、１０１９ｃｍ２以上ＳｉドープしたＧａＮを１ｎｍ成長した。この層は、電圧オフセットを低減するためのものである。
【００４３】
次に、成長温度を約８２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎよりなる第１層１０２ａを１．５ｎｍの膜厚で成長させた。続いて第２層１０２ｂを、同温度で原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いてＳｉドープのＧａＮを１ｎｍと、続いて約９２０℃まで昇温して２ｎｍの膜厚でＳｉドープのＧａＮを成長させた（つまり、第２層１０２ｂは変調ドープ層である。）。そして、この作業を繰り返して、最終的には、第１層１０２ａと第２層１０２ｂを１周期として合計１０周期の総膜厚４５ｎｍの光吸収層１０２を形成した。
【００４４】
次に、成長温度を約９４０℃とし、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７ＮよりなるＩｎ含有層１０３を８０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００４５】
次に、同様の成長温度で、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＧａＮよりなるＩｎ非含有層１０４を５００ｎｍの膜厚で成長させた。その後、周囲温度を１１９０℃に昇温して、ＳｉドープのＧａＮを２０００ｎｍの膜厚で成長し、光吸収層１０２に暗色領域を形成した。
【００４６】
得られたウエハのＩｎ非含有層１０４側から見た外観写真を図３に、ＣＬ像を図４に示す。図３に示すように、ウエハは全体的に暗色化されていた。また、図４に示すように転位密度はＧａＮ基板１０１と同様１０５／ｃｍ３台と変化がなかった。このことから、光吸収層１０２を設けても、転位の発生等の結晶性の低下を伴うことなく、ウエハ全体を暗色化できることが理解できる。
【００４７】
（活性層）
活性層１０７の構造は限定されず種々の構造を採用することができる。例えば、１つの量子井戸層を有する単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、複数の量子井戸構造を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を採用することができる。
【００４８】
（上部コンタクト層）
上部コンタクト層１１１は上部電極１１３を設けるための層である。上部コンタクト層１１１は、典型的にはｐ型導電性を示す。係る場合、上部電極１１３とのオーミック性を確保するために、上部コンタクト層にはＭｇ等のｐ型不純物をドープすることができる。
【００４９】
＜実施例１＞
以下、本実施例に係る半導体レーザ素子（発振波長４４５ｎｍ）の主な構成について説明する。本実施例では、成長方法としてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる場合について説明する。
【００５０】
（下部コンタクト層１０１）
先ず、下部コンタクト層１０１として、市販されているＧａＮよりなる窒化物半導体基板を準備した。窒化物半導体基板はｎ型導電性を示し、その膜厚は４００μｍであった。
【００５１】
（下地層）
次に、成長温度を約１１４０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを０．１μｍ成長させた（図示せず）。この層は、ＧａＮ基板上に窒化物半導体層を再成長するための下地層である。
【００５２】
（電圧オフセット低減層）
次に、成長温度を約９２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、１０１９ｃｍ２以上ＳｉをドープしたＧａＮを１ｎｍ成長した（図示せず）。この層は、電圧オフセットを低減するためのものである。
【００５３】
（光吸収層１０２）
次に、成長温度を約７９５℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎよりなる第１層１０２ａを２．０ｎｍの膜厚で成長させた。続いて第２層１０２ｂを、同温度で原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いてＳｉドープのＧａＮを１ｎｍと、続いて約９２０℃まで昇温して２ｎｍの膜厚でＳｉドープのＧａＮを成長させた（つまり第２層１０２ｂは変調ドープ層である。）。そして、この作業を繰り返して、最終的には、第１層１０２ａと第２層１０２ｂを１周期として、合計１５周期の総膜厚７５０ｎｍの光吸収層１０２を形成した。
【００５４】
（Ｉｎ含有層１０３）
次に、成長温度を約９２０℃とし、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７ＮよりなるＩｎ含有層１０３を８０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５５】
（Ｉｎ非含有層１０４）
次に、成長温度を約１０００℃として、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＧａＮよりなるＩｎ非含有層１０４を５００ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５６】
（下部クラッド層１０５）
次に、成長温度を約１１６０℃とし、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎよりなる下部クラッド層１０５を９００ｎｍの膜厚で成長させた。下部クラッド層１０５を成長する際に、通常よりも高い成長温度とすることで、光吸収層１０２に暗色領域が形成されたと考えられる。
【００５７】
（下部ガイド層１０６）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ＧａＮよりなる下部ガイド層１０６をＳｉドープ１５０ｎｍ、ノンドープ１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５８】
（活性層）
次に、成長温度を約９２０℃にして、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる障壁層を１７０ｎｍの膜厚で成長させた。続いて、成長温度を約８４０度にしてシランガスを止め、ノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を３ｎｍの膜厚で成長させた。その後、成長温度を約９２０℃にして、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いてノンドープＧａＮよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。その後、前述のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を成長させ、最後に成長温度を約９２０℃にして、ノンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる障壁層を８０ｎｍ成長させた。これにより、ＭＱＷの活性層１０７とした。
【００５９】
（キャリア閉じ込め層１０８）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるキャリア閉じ込め層１０８を１０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００６０】
（上部ガイド層１０９）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ＧａＮよりなる上部ガイド層１０９をノンドープ１５０ｎｍ、Ｍｇドープ１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００６１】
（上部クラッド層１１０）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＡｌ０．１２Ｇａ０．８８ＮよりなるＡ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープのＡｌ０．０４Ｇａ０．９６ＮよりなるよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作を順に繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚４５０ｎｍの多層膜（超格子構造）よりなる上部クラッド層１１０を成長させた。
【００６２】
（上部コンタクト層１１１）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる上部コンタクト層１１１を１５０オングストロームの膜厚で成長させた。
【００６３】
（その他の工程）
反応終了後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、リッジをストライプ状に形成した。リッジ幅は２μｍである。次に、ＺｒＯ２よりなる絶縁膜１１２を形成した。次に上部コンタクト層１１１上にＮｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕよりなる上部電極１１３を形成し、下部コンタクト層１０１上にＴｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕよりなる下部電極１１４を形成した。以上の構成を有するウエハを窒化物半導体基板側から研磨して８０μｍとした後、Ｍ面を劈開面としてウエハをバー状に劈開して共振器を作製した。レーザ光の出射面側及び反射面側にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２よりなる誘電体多層（図示せず）膜を形成し、最後にリッジに平行な方向で、バーを切断して４４５ｎｍで発振するレーザ素子とした。
【００６４】
（評価）
図５に、本実施例に係る半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真（図５（ａ））と、光吸収層１０２等を備えない比較例１の半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真（図５（ｂ））と、を示す。微小電流を流している理由は、電流を大きくしレーザ発振させると、レーザ光が目立ってしまい迷光が確認し難いためである。図５（ａ）及び（ｂ）において、半導体レーザ素子の上下左右は同じであり、それぞれ図１の模式図に対応している。図５（ａ）から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子では下部コンタクト層への光の漏れ殆ど確認できず、光吸収層１０２により光の漏れが抑制されることが確認できた。一方、図５（ｂ）に示すように、比較例１では、下部コンタクト層１０１（窒化物半導体基板）を含む素子全体に光の漏れが確認できた。
【００６５】
図６に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状（図６（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状（図６（ｂ））と、を示す。図６（ａ）から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子ではビーム形状の乱れが確認できず、光吸収層１０２により迷光のＦＦＰ⊥への悪影響が抑制されることが確認できた。一方、４（ｂ）に示す比較例では、±２０°近傍においてビーム形状の乱れが確認された。
【００６６】
図７に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフ（図７（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフ（図７（ｂ））と、を示す。図７から明らかなように両者のＩ−Ｌ特性はほとんど同じであった。これにより、光吸収層１０２等があってもＩ−Ｌ特性に悪影響がないことが確認できた。光吸収層１０２等を設けても、転位発生等の結晶性の悪化がなかったためと考えられる。
【００６７】
図８に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ（図８（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ（図８（ｂ））と、を示す。図８から明らかなように、両者のＩ−Ｖ特性はほとんど同じであった。これにより、光吸収層１０２等が抵抗成分になり電圧を上昇させていないことが確認できた。光吸収層１０２等を設けても、結晶性を悪化しなかったためと考えられる。
【００６８】
図９に、本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比（図９（ａ））と、比較例に係る半導体レーザ素子の偏光比（図９（ｂ））と、を示す。偏光比は、ＴＥ波とＴＭ波（ＴＥ／ＴＭ）の比であらわされる。一般的に、レーザ発振は、ＴＥ波成分が主成分となるので、半導体レーザ素子としては偏光比の値が大きいほど好ましい。図９から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比は、比較例に比較して大きな値を示した。偏光特性の向上は、例えば、戻り光ノイズが問題となる光ディスクシステムに用いられる光アイソレーター（戻り光ノイズ対策）において有用である。このような偏光素子を用いているシステムにおいては、偏光比が大きいと光のロスを減らせるため、光出力を小さくすることができ（つまり、消費電力を小さくして発熱量を抑えることができる）、ライフの向上が期待できる。
【００６９】
本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比の値が比較例１に比べて大きくなった理由は、光吸収層１０２においてＴＭ波成分が優先的に除去されたためであると考えられる。一方で、光吸収層１０２を設けたとしてもＩ−Ｌ特性には影響がなかった（図７参照）。これらの事実から、迷光成分（基板への漏れ光）とレーザ発振成分（活性層周辺からの光成分）では、ＴＥ波とＴＭ波の成分比率が異なり、ＴＭ波は主に迷光成分からなり、ＴＥ波は主にレーザ発振成分からなるものと考えられる。
【００７０】
＜比較例１＞
光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層１０４を備えない以外は実施例１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【００７１】
＜実施例２＞
下部クラッド層１０５、下部ガイド層１０６、活性層１０７、キャリア閉じ込め層、上部ガイド層１０９、上部クラッド層１１０及び上部コンタクト層１１１を以下の構造にした以外は、実施例１と実質的に同じ構造の半導体レーザ素子（発振波長４０５ｎｍ）を作製した。
【００７２】
（下部クラッド層１０５）
成長温度を約１１６０℃とし、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる下部クラッド層１０５を２０００ｎｍの膜厚で成長させた。下部クラッド層１０５を成長する際に、通常よりも高い成長温度とすることで、光吸収層１０２に暗色領域が形成されたと考えられる。
（下部ガイド層１０６）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＧａＮよりなる下部ガイド層１０６を１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００７３】
（活性層１０７）
次に、成長温度を９００℃にして、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。続いて、シランガスを止め、ノンドープのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる井戸層を７ｎｍの膜厚で成長させた。その後、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いてＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。その後、前述のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる井戸層を成長させ、最後にノンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を成長させた。これにより、ＭＱＷの活性層１０７とした。
【００７４】
（キャリア閉じ込め層１０８）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるキャリア閉じ込め層１０８を１０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００７５】
（上部ガイド層１０９）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＧａＮよりなる上部ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させた。
【００７６】
（上部クラッド層１１０）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２ＮよりなるＡ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡガスを止めて不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープのＧａＮよりなるよりなるＢ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させる。そして、この操作を順に繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚４５０ｎｍの多層膜（超格子構造）よりなる上部クラッド層１１０を成長させた。
【００７７】
（上部コンタクト層１１１）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる上部コンタクト層１１１を１５０オングストロームの膜厚で成長させた。
【００７８】
（評価）
図１０に半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真を、図１１にＦＦＰ⊥のビーム形状を、図１２にＩ−Ｌ曲線を、図１３に図１２の部分拡大図を、図１４にＩ−Ｖ曲線を、図１５に偏光比を、それぞれ示す。各図において、（ａ）が本実施例に係る半導体レーザ素子であり、（ｂ）が比較例２に係る半導体レーザ素子である。各特性の評価については、実施例１と共通するのでここでは説明しない。
【００７９】
図１３に、図１２におけるＩ−Ｌ曲線の立ち上がり部分における拡大図を示す。図１３（ｂ）に示すように比較例２では閾値電流に至るまでのＬＥＤ発光成分（迷光成分）が大きい。したがって、実施例２と比較例２との偏光比の差は、実施例１と比較例１との偏光比の差よりも大きくなっているものと考えられる。
【００８０】
また、実施例１と比較例１の偏光比の比較よりも効果が大きくなっているのは、実施例２と比較例２のフロントミラー反射率が、実施例１と比較例１で用いたフロントミラー反射率と異なるためである。なお、実施例２と比較例２の場合、実施例１と比較例１のフロントミラー反射率よりも低く設定している。このようにフロントミラー反射率の低い場合、本発明の効果は特に大きくなる。出射側の反射率を低くするのは高出力レーザを作製するときには必須であり、その偏光比を向上させる技術として、本発明は非常に有用である。
【００８１】
＜比較例２＞
光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層を備えない以外は実施例２と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【００８２】
実施例１では発振波長が４４５ｎｍ、実施例２では発振波長が４０５ｎｍの半導体レーザ素子について説明したが、光吸収層１０２は発振波長にかかわらず迷光を吸収することができることは言うまでもない。例えば、発振波長が５２０ｎｍの半導体レーザ素子は迷光が生じやすい傾向にあるので、迷光除去の効果をより顕著に得ることができる。さらに、実施例１及び実施例２では上部クラッド層１１０を用いたが、上部クラッド層を用いずに、低屈折率の上部電極１１１（例えばＩＴＯ）を採用することで光閉じ込めを行うこともできる。係る場合、低屈折率の上部電極１１１により下部コンタクト層１０１側に光が漏れやすい傾向にあるので、迷光除去の効果をより顕著に得ることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１００…半導体レーザ素子
１０１…下部コンタクト層
１０２…光吸収層
１０３…Ｉｎ含有層
１０４…Ｉｎ非含有層
１０５…下部クラッド層
１０６…下部ガイド層
１０７…活性層
１０８…キャリア閉じ込め層
１０９…上部ガイド層
１１０…上部クラッド層
１１１…上部コンタクト層
１１２…絶縁部
１１３…上部電極
１１４…下部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子が開発されている。係る半導体レーザ素子においては、活性層から漏れ出した光が他の層に伝搬して、ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）等に悪影響を及ぼす場合がある。活性層から漏れ出した光は、レンズを通してビーム径を絞ったとしても、ＦＦＰにおいてノイズとして確認される。例えば、レーザ光を用いてレーザスキャンにより画像を直接描画するようなレーザディスプレイの場合、漏れ光があることによりビーム形状がぼやけてしまい、画像の解像度を落としてしまう。したがって半導体レーザ素子において漏れ光の抑制は大きな課題である。
【０００３】
この問題を解決するために、種々の提案がされている。例えば、特許文献１の段落１５には「自然放出光吸収層がインジウムを含むため、自然放出光吸収層のエネルギーギャップが、窒化物半導体から放出される自然放出光のエネルギーよりも小さくなるようにできるので、自然放出光を確実に吸収できる」と記載されており、活性層よりも小さいバンドギャップエネルギーを有する「自然放出光吸収層」を設けることで、光を吸収することができる旨が記載されている。また、特許文献２の段落７には「Ｉｎを含む窒化物半導体であって、アモルファス領域を有する光吸収層が形成される構成とする。アモルファス領域を形成すれば、少なくとも可視光領域の光は吸収することができる。」と記載されており、アモルファス領域を形成することで光を吸収できる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６８７８４号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の「自然放出光吸収層」は活性層からの光を吸収するために活性層よりも小さなバンドギャップエネルギーを有する必要がある。窒化物半導体の場合、Ｉｎの量を多くすることでバンドギャップエネルギーを小さくすることができるが、Ｉｎの量を多くすると結晶性が悪化してしまい、その後に成長する他の層を結晶性良く成長できないという問題があった。さらに、特許文献２の「光吸収層」であってもその結晶性については改善の余地があった。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、主にＦＦＰに優れた半導体レーザ素子を得ること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層とを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層と、窒化物半導体からなる活性層と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層と、を順に備える。
【０００８】
本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層を準備する工程と、下部コンタクト層上に窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層とを含む超格子構造を形成する工程と、超格子構造上に窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層上に窒化物半導体からなる上部コンタクト層を形成する工程と、加熱することにより超格子構造に暗色領域を形成し光吸収層とする工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、主にＦＦＰ及び偏光特性に優れた導体レーザ素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子における光吸収層の積層構造を示す模式断面図である。
【図３】ウエハの外観写真である。
【図４】ウエハのＣＬ像である。
【図５】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子の発光状態の端面写真である。
【図６】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状を示すグラフである。
【図７】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図８】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図９】実施例１及び比較例１に係る半導体レーザ素子の偏光特性を示すグラフである。
【図１０】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子の端面写真である。
【図１１】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状を示すグラフである。
【図１２】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図１３】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図１４】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１５】実施例２及び比較例２に係る半導体レーザ素子の偏光特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子及びその製造方法を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ素子１００の断面図を図１に、半導体レーザ素子１００の光吸収層１０２部分における部分拡大図を図２に示す。半導体レーザ素子１００は、窒化物半導体からなる下部コンタクト層１０１と、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂとを含む超格子構造であると共に暗色領域を有する光吸収層１０２と、窒化物半導体からなる活性層１０６と、窒化物半導体からなる上部コンタクト層１１１と、を順に備える。ここで、光吸収層１０２に暗色領域を形成するには、Ｉｎを含有する第１層１０２ａを加熱する必要がある。詳細は不明だが、加熱することで第１層１０２ａが部分的に分解し、Ｉｎの多い領域が偏析するためと考えられる。
【００１３】
光吸収層１０２を第１層１０２ａと第２層１０２ｂとを含む超格子構造とすることにより、結晶性のよい漏れ光の抑制に優れた半導体レーザ素子とすることができる。以下、そのメカニズムについて説明する。なお、本明細書では活性層１０７から漏れ出した光を「迷光」ともいう。さらに、活性層からの光が各層の発光エネルギーより短波長である場合は、各層で光が吸収され再発光することがあるが、本明細書では再発光した光も「漏れ光」又は「迷光」として扱うものとする。
【００１４】
先ず、第１層１０２ａを加熱により分解する際、第２層１０２ｂがあることによって第１層１０２ａの過度な分解が抑制されるので、第１層１０２の結晶性を必要以上に悪化させることなく暗色領域を安定して形成することができる。第２層１０２ｂがないと、第１層１０２ａの分解が連鎖的に急速に進んでしまい（場合によっては空洞が形成される場合さえある）、その部分から転位が発生しやすくなり、結晶性を大きく損なってしまう。特に、本実施形態では光吸収層１０２を超格子構造とし、第２層１０２ｂを薄膜としているので、第１層１０２ａを確実に分解しつつ過度な分解を抑制しているものと考えられる。
【００１５】
また、暗色領域を生じさせるにはＩｎを含む第１層１０２ａが必要となるが、第１層１０２ａはＩｎを含むがゆえに結晶性に劣るという問題がある。そこで、光吸収層１０２を、第１層１０２ａのみで構成するのではなく、暗色領域の発生には関与しないがＩｎを含まないがゆえに結晶性に優れた第２層１０２ｂを含めた超格子構造としている。光吸収層１０２を超格子構造とし第１層１０２ａ及び第２層１０２ｂを比較的薄膜とすることで、光吸収層１０２の結晶性に起因した転位の発生を抑制することができる。さらに、第１層１０２ａ間に結晶性に優れた第２層１０２ｂを介在させることで、光吸収層１０２における結晶性の低下を抑制することができる。光吸収層１０２の結晶性が悪いとその後に成長する他の層もその結晶性を引き継ぐので歩留まりを低下させてしまう。
【００１６】
さらに、光吸収層１０２を超格子構造とし第１層１０２ａを複数設けることで、暗色領域を平面的ではなく立体的に設けることができる（つまり、暗色領域を膜厚方向に複数形成することができる。）。これにより、光吸収層１０２をより暗色にすることができるので、迷光をより除去しやすくことができる。
【００１７】
ここで、本明細書において「窒化物半導体」とは窒素を含む半導体であり、代表的には一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で示すことができる。また、本明細書では説明の便宜のため「下部」又は「上部」という文言を用いているが、それらは各層を成長させるための基板を基準にしていることは言うまでもない。つまり、基板に近い側又は基板そのものの位置を「下部」とし、基板から遠い側の位置を「上部」としており、例えば「下部コンタクト層」を上とし「上部コンタクト層」を下とした場合であっても本発明の範囲内とする。さらに、本明細書における「超格子構造」とは、第１層１０２ａ及び第２層１０２ｂを一組としたときにこれが２組以上積層された構造をいい、それぞれの膜厚が１５ｎｍ以下のものをいう。
【００１８】
以下、半導体レーザ素子１００を構成する主な構成要素について説明する。
【００１９】
（下部コンタクト層）
下部コンタクト層１０１は下部電極１１４を設けるための層である。下部コンタクト層１０１は、典型的にはｎ型導電性を示す。係る場合、下部電極１１４とのオーミック性を確保するために、下部コンタクト層１０１にはＳｉ、Ｏ等のｎ型不純物をドープすることができる。
【００２０】
半導体レーザ素子１００では、下部コンタクト層１０１として窒化物半導体基板（代表的にはＧａＮ基板）を用いている。他にも、サファイア等の異種基板上に成長した窒化物半導体層を下部コンタクト層として用いることもできる。ただし、窒化物半導体基板は屈折率が窒化物半導体からなる他の層と同一か同程度でその膜厚が比較的厚いので、活性層から発光した光は下部クラッド層より外側にある窒化物半導体基板内に伝搬し易い。そのため、窒化物半導体基板内に光が閉じ込められて迷光になりやすく、ＦＦＰ等に悪影響を及ぼしやすい。したがって、迷光除去の効果を得るには、下部コンタクト層１０１として窒化物半導体基板を用いた場合がより効果的である。
【００２１】
（光吸収層）
光吸収層１０２は、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層１０２ａと、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層１０２ｂと、を含む超格子構造であると共に、暗色領域を有する層である。Ｉｎを含有する第１層１０２ａを加熱することで、光吸収層１０２に暗色領域を設けることができる。暗色になるメカニズムの詳細は不明だが、加熱することで第１層が部分的に分解し、Ｉｎの多い領域が偏析するものと考えられる。
【００２２】
ここで、本明細書における「Ｉｎを含まない第２層」とは、Ｉｎを完全に含まない場合だけでなくＩｎを実質的に含まない場合も含むものとする。つまり、第２層１０２ｂが微量のＩｎを含む場合であっても、結晶性および暗色領域の発生に悪影響を及ぼさない程度の量であれば本発明の範囲内とする。
【００２３】
加熱する方法は限定されないが、第１方法として、光吸収層１０２を形成した後で他の層を成長させる際、又は他の層を成長させる間に成長装置炉内を昇温することで光吸収層１０２を加熱することができる。これにより、複雑な工程を経ずに光吸収層１０２に暗色領域を形成することができる。他にも、第２方法として、半導体層を全て形成した後で、光吸収層１０２にレーザ照射して加熱することもできる。例えば、成長装置から各層が積層されたウエハを取り出した後、フェムト秒レーザを用いて、光吸収層１０２を選択的に照射し加熱することができる。この手法では、光吸収層１０２に暗色領域を形成するために各層の成長中に必要以上に成長温度を上げる必要がないので、結晶性のよい量産性に優れた半導体レーザ素子とすることができる。さらに第２方法では光吸収層１０２の任意の領域にレーザ照射することができるので、例えば半導体レーザ素子１００の光導波路領域の下方にのみ暗色領域を形成することもできる。第１方法と第２方法を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
第１層１０２ａはＩｎＧａＮからなり、第２層１０２ｂはＧａＮからなることが好ましい。結晶性の低下をより抑制し暗色領域を再現性よく形成することができるからである。
【００２５】
光吸収層１０２を構成する超格子構造のペア数は、好ましくは３ペア以上３０ペア未満、より好ましくは５ペア以上２５ペア未満、さらに好ましくは８ペア以上２０ペア未満とすることができる。また光吸層の総膜厚は、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満、より好ましくは２０ｎｍ以上１００ｎｍ未満、さらに好ましくは３０ｎｍ以上８０ｎｍ未満とすることができる。ペア数が少なすぎたり、膜厚が薄すぎたりすると暗色領域が少なくなるため光吸収の効果が弱まり、ペア数が多すぎたり膜厚が厚すぎると結晶の低下を伴うためである。
【００２６】
第１層１０２ａの膜厚は、好ましくは０．５ｎｍ以上９ｎｍ未満、より好ましくは１．０ｎｍ以上６ｎｍ未満、さらに好ましくは１．０ｎｍ以上４ｎｍ未満とすることができる。第１層１０２ａの膜厚が薄すぎると暗色領域が生じにくくなり、第１層１０２ａの膜厚が厚すぎると結晶性の低下を伴ってしまうからである。第２層１０２ｂの膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ未満、より好ましくは１．５ｎｍ以上６ｎｍ未満、さらに好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。第２層１０２ｂの膜厚が薄すぎると結晶性が悪化してしまい、第２層１０２ｂの膜厚が厚すぎると第１層１０２ａでの暗色領域の発生を妨げてしまうからである。第２層１０２ｂの膜厚が厚すぎると第１層１０２ａでの暗色領域の発生を妨げる理由は明らかでないが、第１層１０２ａに隣接する第２層１０２ｂが厚いことで、第１層１０２ａにおいてＩｎの偏析が生じにくいためであると考えられる。
【００２７】
第１層１０２ａがＩｎＧａＮからなる場合、そのＩｎ量は好ましくは５％以上３０％未満、より好ましくは８％以上２５％未満、さらに好ましくは１０％以上２０％未満とすることができる。Ｉｎ量が少なすぎると暗色領域が発生し難くなり、Ｉｎ量が多すぎると結晶性の低下を伴うからである。
【００２８】
第２層１０２ｂの成長温度を第１層１０２ａよりも高くすることにより結晶性のよい良好なものが得られる。また、第２層１０２ｂの成長温度を上げる前に、例えば２ｎｍ程度の薄膜のＧａＮまたはＡｌＧａＮを成膜することにより、第１層１０２ａからのＩｎ抜けや結晶性の低下を効果的に防ぐことができる。また、成長温度上昇時のＮＨ３流量を少なくすることによっても、１０２ａからのＩｎ抜けを抑制することができる。Ｉｎの離脱を抑制することで、後述する暗色領域をより容易に形成することができる。
【００２９】
光吸収層１０２は下部電極１１４が形成される下部コンタクト層１０１と上部電極１１３が形成される上部コンタクト層１１１との間に設けられているので、光吸収層１０２自体にも通電させる必要がある。したがって、光吸収層１０２にはＳｉ等の不純物をドープすることが好ましいが、ノンドープで成長させることもできる。光吸収層１０２に不純物をドープする場合、第１層１０２ａ又は第２層１０２ｂの少なくとも一方の全体または一部に不純物をドープすることができる。
【００３０】
下部コンタクト層１０１及び光吸収層１０２がｎ側にある場合、下部コンタクト層１０１と光吸収層１０２（平均組成）にバンドギャップエネルギーのオフセットがあると、電子帯にスパイクが生じ動作電圧が上昇しやすい。そこで、下部コンタクト層１０１と光吸収層１０２との間に、下部コンタクト層１０１よりもキャリア濃度が高い層を設けることができる。これによりフェルミ準位をより電子帯側に形成することができるので、スパイクを下げ電子の移動を容易にし、電圧上昇を抑制することができる。この層は、ＧａＮであることが望ましいが、ＩｎＧａＮでもＡｌＧａＮでも良い。膜厚は１０〜２００Åとすることができる。
【００３１】
（Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層１０４）
半導体レーザ素子１００は、光吸収層１０２と活性層との間に、光吸収層１０２から順に、窒化物半導体からなり第１層１０２ａよりも少ない量のＩｎを有するＩｎ含有層１０３と、窒化物半導体からなりＩｎを含まないＩｎ非含有層１０４と、を有することができる。
【００３２】
暗色領域を形成するためには、第１層１０２ａのＩｎ量をある程度多くしその膜厚をある程度大きくする必要があるが、そうすると例え光吸収層１０２を上記構成としたとしても、後に成長する活性層１０７等の他の層の結晶性が悪化する場合がある。係る場合、光吸収層１０７と活性層１０７等の間に結晶性に優れたＩｎ非含有層１０４を設けることが考えられるが、光吸収層１０２上にＩｎ非含有層１０４を直接形成すると、大きな格子不整合のため新たに結晶欠陥が入ったりしてしまうことがあり、その結晶性が十分に回復しない傾向にある。そこで、光吸収層１０２とＩｎ非含有層１０４との間に、第１層１０２ａよりもＩｎ量が少ないＩｎ含有層を介在させることにより、光吸収層１０２とＩｎ非含有層１０４との格子不整合による応力を緩和することができ、より結晶性のよい半導体レーザ素子とすることができる。
【００３３】
ここで、本明細書における「Ｉｎを含まないＩｎ非含有層」とは、Ｉｎを完全に含まない場合だけでなく、Ｉｎを実質的に含まない場合も含むものとする。例えば、Ｉｎ非含有層に微量のＩｎが含まれる場合であっても、結晶性回復の効果に悪影響を与えない場合がある。したがって、係る場合であれば、Ｉｎ非含有層が微量のＩｎを含むとしても本発明の範囲内とする。
【００３４】
Ｉｎ含有層１０３をＩｎＧａＮとし、Ｉｎ非含有層１０４をＧａＮとすることができる。これにより上記効果をより顕著に得ることができる。
【００３５】
一方、Ｉｎ含有層１０３の屈折率をＩｎ非含有層１０４よりも高くすることにより、光吸収層１０２での光吸収をより促進させることができる。つまり、光吸収層１０２のみでは膜厚が薄く、光吸収層１０２での光閉じ込めが十分でない場合であっても、光吸収層１０２とＩｎ含有層１０３とが一体となってＩｎ非含有層１０４よりも屈折率の高い領域となる。そのため光吸収層１０２内部に光を閉じ込めやすくすることができ、光吸収層１０２での光吸収がより容易となる。また、光吸収層１０２と下部コンタクト層１０１との間に、下部コンタクト層１０１よりも屈折率の高いＩｎＧａＮ等の層（図示せず）を設けても、光閉じ込めについて同様の作用効果が期待できる（応力緩和の効果についても同様に期待できる。）。
【００３６】
Ｉｎ含有層１０３の膜厚は、好ましくは４０ｎｍ以上３００ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ未満、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１５０ｎｍ未満とすることができる。Ｉｎ含有層１０３が薄すぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ含有層１０３が厚すぎると逆に結晶性が低下してしまうからである。Ｉｎ非含有層１０４の膜厚は、好ましくは２００ｎｍ以上１０００ｎｍ未満、より好ましくは３００ｎｍ以上８００ｎｍ未満、さらに好ましくは４００ｎｍ以上６００ｎｍ未満とすることができる。Ｉｎ非含有層１０４が薄すぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ非含有層１０４が厚すぎると成長時間が必要以上にかかったりウエハに反りが生じたりするからである。
【００３７】
Ｉｎ含有層１０３がＩｎＧａＮからなる場合、そのＩｎ量は好ましくは１％以上７％未満、より好ましくは１％以上５％未満とすることができる。Ｉｎ量が少なすぎると結晶性が回復し難く、Ｉｎ量が多すぎると逆に結晶性の低下を伴うからである。
【００３８】
Ｉｎ非含有層１０４は、実施例で説明する下部クラッド層１０５を兼ねることもできる。つまり、Ｉｎ非含有層１０４を下部クラッド層として形成することもできる。この場合、Ｉｎ非含有層１０４にＡｌを含有させてもよい。
【００３９】
ここで、光吸収層１０２等を設けても結晶性が悪化しないことを確認するため、下部コンタクト層１０１上に、光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３、Ｉｎ非含有層１０４を順に積層した後で周囲温度を約１１９０℃とし暗色化させたウエハの外観及び転位密度を確認した。成長条件は次のとおりである。
【００４０】
先ず、下部コンタクト層１０１として市販のＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の転位密度は１０５／ｃｍ３台であった。
【００４１】
次に、成長温度を約１１６０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを０．１μｍ成長させた。この層は、ＧａＮ基板上に窒化物半導体層を再成長するための下地層である。
【００４２】
次に、成長温度を約９２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、１０１９ｃｍ２以上ＳｉドープしたＧａＮを１ｎｍ成長した。この層は、電圧オフセットを低減するためのものである。
【００４３】
次に、成長温度を約８２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎよりなる第１層１０２ａを１．５ｎｍの膜厚で成長させた。続いて第２層１０２ｂを、同温度で原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いてＳｉドープのＧａＮを１ｎｍと、続いて約９２０℃まで昇温して２ｎｍの膜厚でＳｉドープのＧａＮを成長させた（つまり、第２層１０２ｂは変調ドープ層である。）。そして、この作業を繰り返して、最終的には、第１層１０２ａと第２層１０２ｂを１周期として合計１０周期の総膜厚４５ｎｍの光吸収層１０２を形成した。
【００４４】
次に、成長温度を約９４０℃とし、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７ＮよりなるＩｎ含有層１０３を８０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００４５】
次に、同様の成長温度で、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＧａＮよりなるＩｎ非含有層１０４を５００ｎｍの膜厚で成長させた。その後、周囲温度を１１９０℃に昇温して、ＳｉドープのＧａＮを２０００ｎｍの膜厚で成長し、光吸収層１０２に暗色領域を形成した。
【００４６】
得られたウエハのＩｎ非含有層１０４側から見た外観写真を図３に、ＣＬ像を図４に示す。図３に示すように、ウエハは全体的に暗色化されていた。また、図４に示すように転位密度はＧａＮ基板１０１と同様１０５／ｃｍ３台と変化がなかった。このことから、光吸収層１０２を設けても、転位の発生等の結晶性の低下を伴うことなく、ウエハ全体を暗色化できることが理解できる。
【００４７】
（活性層）
活性層１０７の構造は限定されず種々の構造を採用することができる。例えば、１つの量子井戸層を有する単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、複数の量子井戸構造を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を採用することができる。
【００４８】
（上部コンタクト層）
上部コンタクト層１１１は上部電極１１３を設けるための層である。上部コンタクト層１１１は、典型的にはｐ型導電性を示す。係る場合、上部電極１１３とのオーミック性を確保するために、上部コンタクト層にはＭｇ等のｐ型不純物をドープすることができる。
【００４９】
＜実施例１＞
以下、本実施例に係る半導体レーザ素子（発振波長４４５ｎｍ）の主な構成について説明する。本実施例では、成長方法としてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いる場合について説明する。
【００５０】
（下部コンタクト層１０１）
先ず、下部コンタクト層１０１として、市販されているＧａＮよりなる窒化物半導体基板を準備した。窒化物半導体基板はｎ型導電性を示し、その膜厚は４００μｍであった。
【００５１】
（下地層）
次に、成長温度を約１１４０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを０．１μｍ成長させた（図示せず）。この層は、ＧａＮ基板上に窒化物半導体層を再成長するための下地層である。
【００５２】
（電圧オフセット低減層）
次に、成長温度を約９２０℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、１０１９ｃｍ２以上ＳｉをドープしたＧａＮを１ｎｍ成長した（図示せず）。この層は、電圧オフセットを低減するためのものである。
【００５３】
（光吸収層１０２）
次に、成長温度を約７９５℃とし、ＧａＮ基板上に、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎよりなる第１層１０２ａを２．０ｎｍの膜厚で成長させた。続いて第２層１０２ｂを、同温度で原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いてＳｉドープのＧａＮを１ｎｍと、続いて約９２０℃まで昇温して２ｎｍの膜厚でＳｉドープのＧａＮを成長させた（つまり第２層１０２ｂは変調ドープ層である。）。そして、この作業を繰り返して、最終的には、第１層１０２ａと第２層１０２ｂを１周期として、合計１５周期の総膜厚７５０ｎｍの光吸収層１０２を形成した。
【００５４】
（Ｉｎ含有層１０３）
次に、成長温度を約９２０℃とし、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７ＮよりなるＩｎ含有層１０３を８０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５５】
（Ｉｎ非含有層１０４）
次に、成長温度を約１０００℃として、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＧａＮよりなるＩｎ非含有層１０４を５００ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５６】
（下部クラッド層１０５）
次に、成長温度を約１１６０℃とし、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎよりなる下部クラッド層１０５を９００ｎｍの膜厚で成長させた。下部クラッド層１０５を成長する際に、通常よりも高い成長温度とすることで、光吸収層１０２に暗色領域が形成されたと考えられる。
【００５７】
（下部ガイド層１０６）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ＧａＮよりなる下部ガイド層１０６をＳｉドープ１５０ｎｍ、ノンドープ１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００５８】
（活性層）
次に、成長温度を約９２０℃にして、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる障壁層を１７０ｎｍの膜厚で成長させた。続いて、成長温度を約８４０度にしてシランガスを止め、ノンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を３ｎｍの膜厚で成長させた。その後、成長温度を約９２０℃にして、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いてノンドープＧａＮよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。その後、前述のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を成長させ、最後に成長温度を約９２０℃にして、ノンドープのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる障壁層を８０ｎｍ成長させた。これにより、ＭＱＷの活性層１０７とした。
【００５９】
（キャリア閉じ込め層１０８）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるキャリア閉じ込め層１０８を１０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００６０】
（上部ガイド層１０９）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ＧａＮよりなる上部ガイド層１０９をノンドープ１５０ｎｍ、Ｍｇドープ１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００６１】
（上部クラッド層１１０）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＡｌ０．１２Ｇａ０．８８ＮよりなるＡ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いて、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープのＡｌ０．０４Ｇａ０．９６ＮよりなるよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作を順に繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚４５０ｎｍの多層膜（超格子構造）よりなる上部クラッド層１１０を成長させた。
【００６２】
（上部コンタクト層１１１）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる上部コンタクト層１１１を１５０オングストロームの膜厚で成長させた。
【００６３】
（その他の工程）
反応終了後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、リッジをストライプ状に形成した。リッジ幅は２μｍである。次に、ＺｒＯ２よりなる絶縁膜１１２を形成した。次に上部コンタクト層１１１上にＮｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕよりなる上部電極１１３を形成し、下部コンタクト層１０１上にＴｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕよりなる下部電極１１４を形成した。以上の構成を有するウエハを窒化物半導体基板側から研磨して８０μｍとした後、Ｍ面を劈開面としてウエハをバー状に劈開して共振器を作製した。レーザ光の出射面側及び反射面側にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２よりなる誘電体多層（図示せず）膜を形成し、最後にリッジに平行な方向で、バーを切断して４４５ｎｍで発振するレーザ素子とした。
【００６４】
（評価）
図５に、本実施例に係る半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真（図５（ａ））と、光吸収層１０２等を備えない比較例１の半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真（図５（ｂ））と、を示す。微小電流を流している理由は、電流を大きくしレーザ発振させると、レーザ光が目立ってしまい迷光が確認し難いためである。図５（ａ）及び（ｂ）において、半導体レーザ素子の上下左右は同じであり、それぞれ図１の模式図に対応している。図５（ａ）から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子では下部コンタクト層への光の漏れ殆ど確認できず、光吸収層１０２により光の漏れが抑制されることが確認できた。一方、図５（ｂ）に示すように、比較例１では、下部コンタクト層１０１（窒化物半導体基板）を含む素子全体に光の漏れが確認できた。
【００６５】
図６に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状（図６（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＦＦＰ⊥のビーム形状（図６（ｂ））と、を示す。図６（ａ）から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子ではビーム形状の乱れが確認できず、光吸収層１０２により迷光のＦＦＰ⊥への悪影響が抑制されることが確認できた。一方、４（ｂ）に示す比較例では、±２０°近傍においてビーム形状の乱れが確認された。
【００６６】
図７に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフ（図７（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフ（図７（ｂ））と、を示す。図７から明らかなように両者のＩ−Ｌ特性はほとんど同じであった。これにより、光吸収層１０２等があってもＩ−Ｌ特性に悪影響がないことが確認できた。光吸収層１０２等を設けても、転位発生等の結晶性の悪化がなかったためと考えられる。
【００６７】
図８に、本実施例に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ（図８（ａ））と、比較例１に係る半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフ（図８（ｂ））と、を示す。図８から明らかなように、両者のＩ−Ｖ特性はほとんど同じであった。これにより、光吸収層１０２等が抵抗成分になり電圧を上昇させていないことが確認できた。光吸収層１０２等を設けても、結晶性を悪化しなかったためと考えられる。
【００６８】
図９に、本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比（図９（ａ））と、比較例に係る半導体レーザ素子の偏光比（図９（ｂ））と、を示す。偏光比は、ＴＥ波とＴＭ波（ＴＥ／ＴＭ）の比であらわされる。一般的に、レーザ発振は、ＴＥ波成分が主成分となるので、半導体レーザ素子としては偏光比の値が大きいほど好ましい。図９から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比は、比較例に比較して大きな値を示した。偏光特性の向上は、例えば、戻り光ノイズが問題となる光ディスクシステムに用いられる光アイソレーター（戻り光ノイズ対策）において有用である。このような偏光素子を用いているシステムにおいては、偏光比が大きいと光のロスを減らせるため、光出力を小さくすることができ（つまり、消費電力を小さくして発熱量を抑えることができる）、ライフの向上が期待できる。
【００６９】
本実施例に係る半導体レーザ素子の偏光比の値が比較例１に比べて大きくなった理由は、光吸収層１０２においてＴＭ波成分が優先的に除去されたためであると考えられる。一方で、光吸収層１０２を設けたとしてもＩ−Ｌ特性には影響がなかった（図７参照）。これらの事実から、迷光成分（基板への漏れ光）とレーザ発振成分（活性層周辺からの光成分）では、ＴＥ波とＴＭ波の成分比率が異なり、ＴＭ波は主に迷光成分からなり、ＴＥ波は主にレーザ発振成分からなるものと考えられる。
【００７０】
＜比較例１＞
光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層１０４を備えない以外は実施例１と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【００７１】
＜実施例２＞
下部クラッド層１０５、下部ガイド層１０６、活性層１０７、キャリア閉じ込め層、上部ガイド層１０９、上部クラッド層１１０及び上部コンタクト層１１１を以下の構造にした以外は、実施例１と実質的に同じ構造の半導体レーザ素子（発振波長４０５ｎｍ）を作製した。
【００７２】
（下部クラッド層１０５）
成長温度を約１１６０℃とし、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎよりなる下部クラッド層１０５を２０００ｎｍの膜厚で成長させた。下部クラッド層１０５を成長する際に、通常よりも高い成長温度とすることで、光吸収層１０２に暗色領域が形成されたと考えられる。
（下部ガイド層１０６）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＧａＮよりなる下部ガイド層１０６を１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００７３】
（活性層１０７）
次に、成長温度を９００℃にして、原料ガスとしてＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。続いて、シランガスを止め、ノンドープのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる井戸層を７ｎｍの膜厚で成長させた。その後、原料ガスとしてＴＭＧ及びアンモニアを用いてＳｉドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を１４ｎｍの膜厚で成長させた。その後、前述のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる井戸層を成長させ、最後にノンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層を成長させた。これにより、ＭＱＷの活性層１０７とした。
【００７４】
（キャリア閉じ込め層１０８）
次に、成長温度を約１０００℃とし、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるキャリア閉じ込め層１０８を１０ｎｍの膜厚で成長させた。
【００７５】
（上部ガイド層１０９）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＧａＮよりなる上部ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させた。
【００７６】
（上部クラッド層１１０）
次に、同様の成長温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用いて、ノンドープのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２ＮよりなるＡ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡガスを止めて不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープのＧａＮよりなるよりなるＢ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させる。そして、この操作を順に繰り返してＡ層とＢ層を積層し、総膜厚４５０ｎｍの多層膜（超格子構造）よりなる上部クラッド層１１０を成長させた。
【００７７】
（上部コンタクト層１１１）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる上部コンタクト層１１１を１５０オングストロームの膜厚で成長させた。
【００７８】
（評価）
図１０に半導体レーザ素子に微小電流を流してＬＥＤ発光させた状態の端面写真を、図１１にＦＦＰ⊥のビーム形状を、図１２にＩ−Ｌ曲線を、図１３に図１２の部分拡大図を、図１４にＩ−Ｖ曲線を、図１５に偏光比を、それぞれ示す。各図において、（ａ）が本実施例に係る半導体レーザ素子であり、（ｂ）が比較例２に係る半導体レーザ素子である。各特性の評価については、実施例１と共通するのでここでは説明しない。
【００７９】
図１３に、図１２におけるＩ−Ｌ曲線の立ち上がり部分における拡大図を示す。図１３（ｂ）に示すように比較例２では閾値電流に至るまでのＬＥＤ発光成分（迷光成分）が大きい。したがって、実施例２と比較例２との偏光比の差は、実施例１と比較例１との偏光比の差よりも大きくなっているものと考えられる。
【００８０】
また、実施例１と比較例１の偏光比の比較よりも効果が大きくなっているのは、実施例２と比較例２のフロントミラー反射率が、実施例１と比較例１で用いたフロントミラー反射率と異なるためである。なお、実施例２と比較例２の場合、実施例１と比較例１のフロントミラー反射率よりも低く設定している。このようにフロントミラー反射率の低い場合、本発明の効果は特に大きくなる。出射側の反射率を低くするのは高出力レーザを作製するときには必須であり、その偏光比を向上させる技術として、本発明は非常に有用である。
【００８１】
＜比較例２＞
光吸収層１０２、Ｉｎ含有層１０３及びＩｎ非含有層を備えない以外は実施例２と同様にして半導体レーザ素子を作製した。
【００８２】
実施例１では発振波長が４４５ｎｍ、実施例２では発振波長が４０５ｎｍの半導体レーザ素子について説明したが、光吸収層１０２は発振波長にかかわらず迷光を吸収することができることは言うまでもない。例えば、発振波長が５２０ｎｍの半導体レーザ素子は迷光が生じやすい傾向にあるので、迷光除去の効果をより顕著に得ることができる。さらに、実施例１及び実施例２では上部クラッド層１１０を用いたが、上部クラッド層を用いずに、低屈折率の上部電極１１１（例えばＩＴＯ）を採用することで光閉じ込めを行うこともできる。係る場合、低屈折率の上部電極１１１により下部コンタクト層１０１側に光が漏れやすい傾向にあるので、迷光除去の効果をより顕著に得ることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１００…半導体レーザ素子
１０１…下部コンタクト層
１０２…光吸収層
１０３…Ｉｎ含有層
１０４…Ｉｎ非含有層
１０５…下部クラッド層
１０６…下部ガイド層
１０７…活性層
１０８…キャリア閉じ込め層
１０９…上部ガイド層
１１０…上部クラッド層
１１１…上部コンタクト層
１１２…絶縁部
１１３…上部電極
１１４…下部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなる下部コンタクト層と、
窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層と、を含む超格子構造であると共に、暗色領域を有する光吸収層と、
窒化物半導体からなる活性層と、
窒化物半導体からなる上部コンタクト層と、を順に備える半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記下部コンタクト層は、窒化物半導体基板である請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光吸収層と前記活性層との間に、前記光吸収層から順に、
窒化物半導体からなり前記第１層よりも少ない量のＩｎを含むＩｎ含有層と、
窒化物半導体からなりＩｎを含まないＩｎ非含有層と、を有する請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１層はＩｎＧａＮからなり、前記第２層はＧａＮからなる請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記Ｉｎ含有層はＩｎＧａＮからなり、前記Ｉｎ非含有層はＧａＮからなる請求項３又は４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
窒化物半導体からなる下部コンタクト層を準備する工程と、
前記下部コンタクト層上に、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層と、を含む超格子構造を形成する工程と、
前記超格子構造上に、窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、窒化物半導体からなる上部コンタクト層を形成する工程と、
加熱することにより前記超格子構造に暗色領域を形成して光吸収層とする工程と、を備える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記暗色領域を形成する工程において、レーザ照射により前記超格子構造を加熱する請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体からなる下部コンタクト層と、
窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層と、を含む超格子構造であると共に、暗色領域を有する光吸収層と、
窒化物半導体からなる活性層と、
窒化物半導体からなる上部コンタクト層と、を順に備える半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記下部コンタクト層は、窒化物半導体基板である請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光吸収層と前記活性層との間に、前記光吸収層から順に、
窒化物半導体からなり前記第１層よりも少ない量のＩｎを含むＩｎ含有層と、
窒化物半導体からなりＩｎを含まないＩｎ非含有層と、を有する請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１層はＩｎＧａＮからなり、前記第２層はＧａＮからなる請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記Ｉｎ含有層はＩｎＧａＮからなり、前記Ｉｎ非含有層はＧａＮからなる請求項３又は４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
窒化物半導体からなる下部コンタクト層を準備する工程と、
前記下部コンタクト層上に、窒化物半導体からなりＩｎを含む第１層と、窒化物半導体からなりＩｎを含まない第２層と、を含む超格子構造を形成する工程と、
前記超格子構造上に、窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、窒化物半導体からなる上部コンタクト層を形成する工程と、
加熱することにより前記超格子構造に暗色領域を形成して光吸収層とする工程と、を備える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記暗色領域を形成する工程において、レーザ照射により前記超格子構造を加熱する請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２３８６７９（Ｐ２０１２−２３８６７９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５８００（Ｐ２０１１−１０５８００）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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