半導体レーザ装置
【課題】安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０の上に形成された第１導電型の下地層１１４と、下地層１１４の上に順次形成された、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、ｐ型ガイド層１１８、ｐ型クラッド層１２０及びｐ型コンタクト層１２２によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、ｐ型コンタクト層１２２に電気的に接続されたｐ側電極１２３と、ｎ型クラッド層１１５に電気的に接続されたｎ側電極１２４とを備える。積層構造体は、ｐ側電極１２３の下方の領域であって第１の転位密度となるように構成された領域である第１転位領域と、第１の転位密度とは異なる第２の転位密度となるように構成された領域である第２転位領域とを含む。第２の転位密度は、第１の転位密度よりも大きい。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０の上に形成された第１導電型の下地層１１４と、下地層１１４の上に順次形成された、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、ｐ型ガイド層１１８、ｐ型クラッド層１２０及びｐ型コンタクト層１２２によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、ｐ型コンタクト層１２２に電気的に接続されたｐ側電極１２３と、ｎ型クラッド層１１５に電気的に接続されたｎ側電極１２４とを備える。積層構造体は、ｐ側電極１２３の下方の領域であって第１の転位密度となるように構成された領域である第１転位領域と、第１の転位密度とは異なる第２の転位密度となるように構成された領域である第２転位領域とを含む。第２の転位密度は、第１の転位密度よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク用光源又はディスプレイ用光源に用いられる半導体レーザ装置に関し、特に、窒化物半導体を用いた自励発振動作型の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置は、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（登録商標））用光ピックアップ装置の光源として特性向上や低価格化への取り組みが盛んになされている。また、近年では、窒化物半導体を用いて青色から緑色までのレーザ光を発振する半導体レーザ装置が開発され、プロジェクターなどディスプレイの小型光源としても非常に期待されている。このような光ディスクやディスプレイに用いられる半導体レーザ装置においては、半導体レーザ装置のノイズを低減することが重要になっている。
【０００３】
例えば、ＢＤ用光ピックアップ装置においては、半導体レーザ装置から出射されたレーザ光は、光ディスク（ＢＤ）によって反射した後、再び半導体レーザ装置の端面に入射して、これによって戻り光ノイズが生じる。この戻り光ノイズは光ディスクの読み取りエラーの原因となる。このため、現在、ＢＤの信号再生時には高周波重畳回路を用いて半導体レーザ装置に高周波の電流を重畳させることにより発振スペクトルをマルチモード化させ、レーザ光の持つ干渉性を低減することにより戻り光ノイズを低減する方法が用いられている。
【０００４】
また、ディスプレイ用の半導体レーザ装置においては、レーザの持つ高い干渉性により、画面内で局所的に干渉の強弱が発生し、画面がギラついて見える、いわゆるスペックノイズが発生する。このようなスペックノイズを低減させるため、ディスプレイ用に用いられる半導体レーザ装置には、例えば、振動子を半導体レーザ装置に取り付け振動させることで、干渉の強弱を画面内で平滑化させるような検討がなされている。
【０００５】
しかしながら、このようなノイズ対策として高周波重畳回路や振動子を光源に新たに取り付けることは、光源のコストアップにつながり好ましくない。そこで、半導体レーザ装置自体の低ノイズ化が求められている。
【０００６】
半導体レーザ装置を低ノイズ化する方法としては、発光光の干渉性を低減させることが考えられる。従来、発光光の干渉性を低減する方法として、自励発振動作が可能な自励発振型の半導体レーザ装置が提案されている。
【０００７】
特許文献１に、従来の自励発振型の半導体レーザ装置が開示されている。特許文献１には、活性層において電流が注入される電流注入領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収領域を形成することにより自励発振動作を引き起こすことが開示されている。このような自励発振動作においては、光導波路内の実効屈折率が変化するため、発振波長に揺らぎが生じて干渉性が低減し、これによりノイズを低減させることが可能となる。
【０００８】
以下、特許文献１に開示された従来の自励発振型の半導体レーザ装置について、図１１用いて説明する。図１１は、従来の自励発振型の半導体レーザ装置の断面図である。
【０００９】
図１１に示すように、従来の自励発振型の半導体レーザ装置は、サファイア基板４０１上に、ｎ型コンタクト層４０２と、ｎ型クラッド層４０３と、活性層４０４と、ｐ型クラッド層４０５と、ｎ型電流狭搾層４０６、４０７と、ｐ型コンタクト層４０８とが積層されて構成されている。
【００１０】
ｐ型クラッド層４０５は、活性層４０４の表面を覆って形成された平坦部４０５ａと、平坦部４０５ａの中央部に上向きに凸設された幅Ｗ２の下段ストライプ部４０５ｂと、下段ストライプ部４０５ｂの中央部にさらに凸設された幅Ｗ１の上段ストライプ部４０５ｃとで構成される。下段ストライプ部４０５ｂ及び上段ストライプ部４０５ｃは、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。
【００１１】
また、ｎ型コンタクト層４０２の開口部上にはｎ側電極４０９が設けられており、ｐ型コンタクト層４０８上にはｐ側電極４１０が設けられている。
【００１２】
このような構成の半導体レーザ装置によれば、ｐ型クラッド層４０５から活性層４０４へ流れる電流は、幅Ｗ１の上段ストライプ部４０５ｃによって横方向への拡がりが規制された状態で活性層４０４へ流れる。従って、活性層４０４の中央に、上段ストライプ部４０５ｃの幅Ｗ１に応じた大きさの電流注入領域が形成される。また、下段ストライプ部４０５ｂの幅Ｗ２が上段ストライプ部４０５ｃの幅Ｗ１よりも広がっているので、発光スポット幅が下段ストライプ部４０５ｂの幅Ｗ２に応じた大きさとなり、発光スポット幅は電流注入領域の幅よりも大きくなる。これにより、電流注入領域の周囲に可飽和吸収領域が形成されることになり活性層４０４において、電流注入領域と可飽和吸収領域が相互作用し自励発振動作して、パルス状の光出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２８６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の自励発振型の半導体レーザ装置では、安定した自励発振動作を行わせることが難しいという問題がある。
【００１５】
ところで、自励発振型の半導体レーザ装置では、電流広がりによって生じる活性層内の光学利得領域（その幅をＧとする）をできるだけ狭くし、逆に光導波路スポットサイズ（その幅をＳとする）を比較的大きく設定し、Ｓ＞Ｇなる関係を満たした場合に、この差分が可飽和吸収領域として機能して自励発振動作が生じる。このため、自励発振型の半導体レーザ装置は、屈折率導波路（Ｉｎｄｅｘ Ｇｕｉｄｅ）型の半導体レーザ装置と、利得導波路（Ｇａｉｎ Ｇｕｉｄｅ）型の半導体レーザ装置との中間的な導波路を構成する。
【００１６】
ここで、自励発振型の半導体レーザ装置において、十分な可飽和吸収効果を生じさせることは、安定した自励発振動作を維持させる上で重要である。可飽和吸収効果は、活性層中央部の光学利得領域（発光領域）の微分利得（∂Ｇ／∂ｎ：Ｇは光学利得、ｎは注入キャリア濃度）が小さく（レーザ発振時飽和）、また、可飽和吸収領域の微分利得が大きく、さらには、その両者の差が大きいことが有効である。すなわち、自励発振条件は、光学利得領域と可飽和吸収領域における微分利得とその大きさが重要である。なお、一般的に、活性層構造としては多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を採用する場合が多い。
【００１７】
このように、自励発振動作を安定して発生させるためには、次の２つのことが必要であると考えられる。第一に、（１）活性層の発光領域での微分利得と可飽和吸収領域での微分利得との差が大きく、かつ、発光領域の微分利得が飽和しやすい構造であること、第二に、（２）可飽和吸収領域での光吸収効果が大きいこと、である。この（１）（２）の条件について、図１２及び図１３を用いて以下考察する。
【００１８】
図１２は、活性層がバルク構造の半導体レーザ装置における光学利得Ｇと注入キャリア濃度ｎとの一般的な関係を示す図である。上述のとおり、安定した自励発振動作を起こさせるためには、上記の条件を満たすことが必要である。しかしながら、活性層がバルク構造の半導体レーザ装置においては、図１２に示すように、発光領域での微分利得が飽和しにくいため、自励発振動作がしにくくなる。
【００１９】
また、図１３は、活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置における量子井戸数Ｎと光学利得の注入キャリア濃度との関係を定性的に示した図である。図１３に示すように、活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置では、量子井戸数Ｎが増加すると、光学利得は飽和しにくくなり自励発振動作はしにくくなる。逆に、量子井戸数Ｎが少ないほど発光領域の光学利得Ｇが飽和しやすくなる。つまり、バルク構造のように光学利得が飽和しにくい活性層よりも量子井戸数が少ないＭＱＷ構造の活性層の方が、光学利得が飽和しやすく、飽和効果を強くすることによって自励発振動作を強くすることができる。
【００２０】
一方、光吸収領域における光吸収係数については、図１２及び図１３を参照すると、量子井戸構造の活性層の吸収係数が小さく、バルク構造の活性層の光吸収係数の方が量子井戸構造の活性層の光吸収係数よりも大きい。なお、この点は、量子井戸構造を光導波路に用いた場合、導波路損失が少なく良好な導波路特性を得られることからも実証されている。
【００２１】
しかしながら、光吸収係数が小さく光吸収量が少ないことは、上記（２）の「可飽和吸収領域での光吸収効果が大きいこと」という条件に反することになるため安定した自励動作実現が困難となる。光吸収量を増加させるには、バルク構造の活性層を導入するか多重量子井戸構造の活性層にて量子井戸数を増加することが有効であるが、この場合、逆に、上記（１）の「活性層の発光領域での微分利得と可飽和吸収領域での微分利得差が大きく、かつ、発光領域の微分利得が飽和しやすい構造であること」という条件を満たすことができない。
【００２２】
このように、現在のところ、（１）（２）を両立させて、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置は実現されていない。
【００２３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、安定した自励発振動作を行う半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願の発明者らは、上記目的を実現するために、活性層電流注入領域を含む光導波路内において電流狭搾構造により狭搾された電流分布と光導波路内の光分布とを大きく変えることを検討した。そして、光導波路領域において、活性層内の電流分布の広がっている活性層電流注入領域においては低転位とし、活性層内の電流分布が広がっていない領域である可飽和吸収領域においては転位を帯状に集中して配置することで、キャリア寿命を短くして可飽和吸収の時間的復帰を促進し、安定した自励発振動作を実現することができるという知見を得ることができた。
【００２５】
本発明は、このような知見により得られたものであり、以下の解決手段によって実現される。
【００２６】
本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、自励発振動作をする半導体レーザ装置であって、基板と、当該基板の上に形成された第１導電型の下地層と、当該下地層の上に順次形成された、第１導電型のクラッド層、第１導電型のガイド層、活性層、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、前記第１導電型のクラッド層に電気的に接続された第１電極と、前記第２導電型のコンタクト層に電気的に接続された第２電極とを備え、前記積層構造体は、前記第２電極の下方に領域であって第１の転位密度の領域である第１転位領域と、前記第１の転位密度とは異なる第２の転位密度の領域である第２転位領域とを含み、前記第２の転位密度が、前記第１の転位密度よりも大きくなるように構成される。
【００２７】
本発明に係る半導体レーザの一態様によれば、活性層電流注入領域を含まない光導波路領域内における活性層領域である可飽和吸収領域の一部に、転位密度が相対的に大きい第２の転位密度である第２転位領域を存在させることができるので、可飽和吸収領域における光吸収量を増大させることができる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記積層構造体における光導波路領域は、前記第２電極から注入された電流が前記活性層に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、当該活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含み、前記活性層電流注入領域は、前記第１転位領域を含み、前記活性層電流非注入領域は、前記第２転位領域を含むことが好ましい。
【００２９】
本態様によれば、光導波路領域内において、活性層電流注入領域に存在する第１転位領域と、活性層電流非注入領域である可飽和吸収領域に存在する第２転位領域とが含まれることになる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３０】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２転位領域は、前記光導波路領域内に１箇所のみ存在することが好ましい。
【００３１】
可飽和吸収領域に転位が集中した転位領域が複数存在すると光吸収量が大幅に増大して閾値電流の増大を招く恐れがある。本態様によれば、必要最小限の光吸収量を確保することができる。例えば、活性層電流注入領域に対して左右どちらか一方に第２転位領域を配置することで、大幅な閾値電流の増大を防ぎ且つ安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３２】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２転位領域は、前記第１転位領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在することが好ましい。
【００３３】
安定した自励発振動作は、光導波路領域内における活性層電流注入領域と可飽和吸収領域として働く電流非注入領域とのバランスにより保たれる。このバランスは、電流注入領域からの電流の横方向拡散距離（光学利得が正の領域）に対して光の横方向への拡がり距離を大きくすることにより実現できる。すなわち、光学利得が正の領域と、光導波路内の電流が注入されない活性層領域、すなわち光学利得が負の領域とのバランスによる。
【００３４】
導波光として横方向への光の染みだしは数μｍ以下であるので、電流注入領域幅があまりに広いと、利得が正の領域の割合に対して、可飽和吸収領域の割合が小さくなりすぎて安定した自励発振動作が得られない。
【００３５】
そこで、本態様のように、光導波路領域内の電流非注入領域内における第２転位領域までの距離を第１転位領域の中心から５μｍ以内にすることにより、電流非注入領域に染み出した導波光を効率よく吸収することができる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３６】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【００３７】
本態様のように、第２転位領域内の転位密度を１×１０7／ｃｍ2以上にすることにより、可飽和吸収領域内における光吸収量を増大させることができる。これにより、転位密度の増大よる光吸収により生じたキャリアは非発光再結合により支配的に消滅する。従って、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。なお、安定した自励発振動作をさせるには、電流注入領域から横方向への光の染み出しと光吸収量とのバランスで決まる。また、電流注入領域における電流注入密度は数ｋＡ／ｃｍ2レベルに達することから、電流注入領域では低転位であることが求められ、１×１０6／ｃｍ2台もしくはそれ以下の転位密度であることが好ましい。
【００３８】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記活性層が、インジウムを含むことが好ましい。
【００３９】
本態様のように、活性層がＩｎを含むように構成することにより、紫外領域から可視領域までの発光波長を実現することができる。従って、用途に合わせて自由に発光波長を変えることができる。さらに、Ｉｎを含む窒化物材料はＩｎの偏析が非常にしやすい材料であることから、Ｉｎの偏析部分はバンドギャップエネルギーが小さくなり、可飽和吸収領域内の導波光の光を効率的に光吸収させることが可能となる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４０】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板と前記下地層との間に転位制御層を備え、前記転位制御層は、当該転位制御層の上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域を有することが好ましい。
【００４１】
本態様によれば、転位制御層によって転位集中可領域の位置を制御することができる。これにより、転位集中可領域の上部に積層される層における転位領域（第２転位領域）の位置を電流注入領域に対して横方向に自由に調整することができる。従って、光導波路領域内の光分布に対して自由に位置制御を行うことが可能であるため、光吸収量を自由に調整できる。よって、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４２】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、窒化物半導体が前記基板の主面に対して平行な方向に成長された横方向成長層を有することが好ましい。
【００４３】
これにより、横方向成長層によって転位集中可領域を容易に構成することができる。
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記横方向成長層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。
【００４４】
これにより、転位制御層の一部をＧａＮより屈折率の低いＡｌxＧａ1-xＮで構成することができ、この結果、光導波路領域内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能であり、導波路損失を低減することで閾値電流密度の低減が可能となる。従って、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４５】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された成長層とを備え、前記成長層は、向かい合う前記凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００４６】
本態様のように、下地種結晶層の凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００４７】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、前記成長層は、前記複数の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００４８】
本態様のように、下地種結晶層の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００４９】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板に複数の凸部が形成されており、前記転位制御層は、前記複数の凸部の各々について前記凸部の一方の側面に形成された下地種結晶層と、前記複数の凸部の各々について前記凸部の他方の側面に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、前記成長層は、複数の前記下地種結晶層のうちの一の下地種結晶層から成長した第１成長層と、前記一の下地種結晶膜とは異なる他の下地種結晶層から成長した第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００５０】
本態様のように、基板の凸部の側面に形成された下地種結晶層から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００５１】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記下地層の一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなることが好ましい。
【００５２】
これにより、転位集中可領域の上部に積層される層における転位領域（第２転位領域）の転位数を制御することができる。
【００５３】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板が、サファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板であることが好ましい。
【００５４】
レーザ光源用の低転位基板は現状のところ非常に高価なものであるが、本態様のように、低コストなサファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板を用いることで、一素子当たりのコストを大幅に低減することができる。これにより、低コストで自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００５５】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記積層構造体の主面が、半極性又は無極性であることが好ましい。
【００５６】
従来から、ｃ面（有極性面）上での自励発振動作する半導体レーザ装置が実現されている。しかし、この場合、ピエゾ効果により活性層内の電子と正孔とが空間的に離れてしまうことになるので、可飽和吸収領域内での光吸収により生じたキャリアの消滅時間が長くなってしまう。
【００５７】
本態様のように、積層構造体の半導体層の主面を半極性又は無極性にすることにより、ピエゾ効果を低減することができ、電子と正孔とが空間的に離れなくなる。これにより、光吸収により生じたキャリアの消滅時間が早くなり、光吸収が可能になるまでの時間を短くすることができ、単位時間当たりの光吸収量を増大させることができる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００５８】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、キャリア寿命を短くし可飽和吸収の時間的復帰を促進し、安定した自励発振動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光導波路付近を模式的に表した一部拡大断面図である。
【図３】転位密度とＰＬ発光強度との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図５】（ａ）は、第１の実施形態に係る下地基板の模式図である。（ｂ）は、第１の実施形態に係る下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。（ｃ）は、（ｂ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図８】（ａ）は、第２の実施形態に係る下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。（ｂ）は、（ａ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図１１】従来の自励発振型の半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】活性層がバルク構造の半導体レーザ装置における光学利得Ｇと注入キャリア濃度ｎとの一般的な関係を示す図である。
【図１３】活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置における量子井戸数Ｎと光学利得の注入キャリア濃度との関係を定性的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図は説明のための模式図であり、膜厚や各部の大きさの比等は必ずしも厳密ではなく、また、各図同士において一致しない場合もある。
【００６１】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【００６２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１は、自励発振動作を行う自励発振型の半導体レーザ装置であって、基板１１０と、基板１１０上に形成された下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２と、下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２の上に形成された第１導電型（ｎ型）の下地層１１４とを備える。
【００６３】
基板１１０は、例えば、主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板を用いることができる。
【００６４】
下地種結晶層１１１は、ストライプ状の複数の凹部が形成された凹凸構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）等からなる窒化物半導体層である。下地種結晶層１１１は、複数の凹部が形成されることにより構成される複数の凸部１１１ａを備える。
【００６５】
横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ間の凹部を埋めるようにして形成されたＧａＮ等からなる窒化物半導体層である。横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの側面から横方向（基板主面と略平行な方向）に結晶成長させたものであり、向かい合う凸部１１１ａの側面から成長した横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士が接合して一体化して形成される。隣り合う横方向成長層１１２ａと横方向成長層１１２ｂとが接合した部分は接合部分１１３ａであり、接合部分１１３ａを含むその周辺領域は接合領域１１３である。接合領域１１３は、接合領域１１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域１１３上に形成される層は転位が集中して転位密度が大きくなる。また、下地結晶層１１１の凸部１１１ａの上に形成される層も転位が集中して転位密度が大きくなる。本実施形態において、横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【００６６】
下地層１１４は、下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２の上の全面に形成されたｎ型の窒化物半導体層である。本実施形態において、下地層１１４は、不純物としてＳｉ（シリコン）をドープしたｎ型のＧａＮで構成した。
【００６７】
さらに、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１は、図１に示すように、下地層１１４の上に、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、第１導電型とは異なる第２導電型（ｐ型）であるｐ型ガイド層１１８、キャリアオーバーフロー抑制層１１９及びｐ型クラッド層１２０が順次積層されている。これらの層は、窒化物半導体からなる積層構造体である。
【００６８】
ｎ型クラッド層１１５は、下地層１１４上に形成されたｎ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｓｉ等のｎ型の不純物がドープされたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎで構成することができる。
【００６９】
ｎ型ガイド層１１６は、ｎ型クラッド層１１５上に形成されたｎ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｓｉ等のｎ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。
【００７０】
活性層１１７は、ｎ型ガイド層１１６上に形成されており、例えば、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造の活性層である。
【００７１】
ｐ型ガイド層１１８は、活性層１１７上に形成されたｐ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）等のｐ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。
【００７２】
キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８上に形成された窒化物半導体層であり、例えば、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎで構成することができる。
【００７３】
ｐ型クラッド層１２０は、キャリアオーバーフロー抑制層１１９上に形成されたｐ型窒化物半導体層であり、例えば、ｐ型のＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎとｐ型のＧａＮとを複数回繰り返して積層して形成された歪超格子構造の窒化物半導体層で構成することができる。また、ｐ型クラッド層１２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部１２０ａを有する。
【００７４】
さらに、ｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａ上には、ｐ型コンタクト層１２２とｐ側電極１２３（第２電極）が形成されており、ｐ側電極１２３はｐ型コンタクト層１２２と電気的に接続されている。また、ｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜１２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層１１４が露出されており、下地層１１４の上には、ｎ側電極１２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極１２４は、下地層１１４を介してｎ型クラッド層１１５と電気的に接続されている。
【００７５】
ｐ型コンタクト層１２２及びｐ側電極１２３が形成されているリッジ部１２０ａは活性層１１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極１２３及びリッジ部１２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域１３０である。
【００７６】
本実施形態において、ｐ型コンタクト層１２２は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）等のｐ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。また、誘電体膜１２１は、ＳｉＯ2で構成することができる。ｐ側電極１２３は、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層金属膜によって構成することができ、ｎ側電極１２４は、Ｔｉ（チタン）と白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）との積層金属膜によって構成することができる。
【００７７】
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１では、上述のとおり、下地種結晶層１１１の凹部において隣り合った横方向成長層１１２ａ、１１２ｂが接合して接合領域１１３が形成されている。そして、接合領域１１３上に形成される積層構造体には、誘電体膜１２１から接合領域１１３にかけて帯状の転位領域１４１が形成されている。つまり、横方向成長層１１２における接合領域１１３上に成長する層は、接合領域１１３の接合部分１１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【００７８】
一方、接合領域１１３が形成されていない横方向成長層１１２上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【００７９】
また、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ上に直接下地層１１４が形成された領域上にも転位が集中した領域となっており、誘電体膜１２１から下地種結晶層１１１にかけて帯状の転位領域１５１が形成されている。つまり、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａも転位集中可領域として機能する。このように本実施形態に係る半導体レーザ装置１には、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域１４１、１５１が形成されている。
【００８０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の動作について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光導波路付近を模式的に表した一部拡大断面図である。
【００８１】
図２において、破線で示す楕円領域は、半導体レーザ装置１の光導波路領域１６０を示している。光導波路領域１６０は、ｐ側電極１２３から注入された電流が活性層１１７に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含んでいる。
【００８２】
図２に示すように、本実施形態においては、ｐ側電極１２３の下方領域、すなわちｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａの下方領域とその周辺領域である電流注入領域１３０においては、光導波路領域１６０内の電流狭搾構造により電流を狭搾して電流分布１７０と光導波路領域１６０内の光分布とを大きく変えている。
【００８３】
すなわち、活性層１１７内の電流分布１７０の拡がっている領域を転位密度が低い低転位領域としている。また、電流注入領域１３０の周辺領域であって帯状の転位領域１４１を含む領域である近傍領域１４０は、光導波路領域１６０において電流分布１７０が拡がっていない領域であり、可飽和吸収領域として機能する。つまり、電流注入領域１３０における光導波路領域１６０は活性層電流注入領域であり、近傍領域１４０における光導波路領域１６０は活性層非電流注入領域である。
【００８４】
近傍領域１４０は、図１における接合領域１１３上における領域である。近傍領域１４０における帯状の転位領域１４１（第２転位領域）において、帯状の転位は、光導波路と平行（紙面垂直方向）で且つ基板垂直方向に帯状に集中して形成されている。そして、帯状の転位領域１４１によって光導波路領域１６０内の光が吸収されるので、生成されたキャリアに対して非発光再結合成分を増大させてキャリアの寿命を短くすることができる。これにより、可飽和吸収の時間的復帰を促進させる光吸収量を増大させることができるので、安定した自励発振動作を実現することができる。
【００８５】
このように構成される本実施形態に係る半導体レーザ装置１において、電流注入領域１３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、近傍領域１４０内の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域１４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係は、ａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。なお、帯状の転位領域１５１を含む近傍領域１５０も近傍領域１４０と同様であり、帯状の転位領域１５１は、光吸収量を増大させる可飽和吸収領域として機能する。
【００８６】
ここで、転位とキャリアの非発光再結合成分との関係について、図３を用いて説明する。図３は、転位密度とＰＬ（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光強度との関係を示す図である。なお、図３は、文献（Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.，７６，ｐ，２０００）において、既に調査及び報告されている。図３において、横軸は転位密度を示し、縦軸はＰＬ発光強度を示している。
【００８７】
図３に示すように、転位密度が１０7／ｃｍ-2以上になると、急激にＰＬ発光強度が低下することが分かる。これは、当初は励起されたキャリアにおける発光再結合成分が支配的であったが、転位密度が増大することにより、転位を介してキャリアが消滅して非発光再結合成分が増大し、ＰＬ発光強度が低下したことを示している。
【００８８】
従って、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１によれば、光導波路領域１６０内であって電流注入領域１３０の周辺領域である近傍領域１４０に転位を集中して配置させることにより、すなわち、可飽和吸収領域内に転位領域を配置させることにより、効率的に光吸収量を増大させることができる。
【００８９】
なお、本実施形態においては、帯状の転位領域（第２転位領域）として、近傍領域１４０の光導波路領域１６０内（可飽和吸収領域内）に２つの転位領域１４１、１５１を形成したが、これに限るものではない。可飽和吸収領域に転位が集中した転位領域が複数存在すると光吸収量が大幅に増大しすぎて、閾値電流の増大を招く場合もある。この場合、帯状の転位領域は、光導波路領域１６０内に１箇所のみ、例えば近傍領域１４０もしくは１５０のみに存在するように構成しても構わない。つまり、所望の光吸収量となるように、転位領域の数及び転位密度を設定すればよい。
【００９０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の製造方法について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【００９１】
まず、図４（ａ）に示すように、基板主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板からなる基板１１０の主面上に、膜厚が３．０μｍのＧａＮからなる下地種結晶層１１１を形成する。なお、下地種結晶層１１１の結晶成長は、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により行った。より具体的には、ガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、窒素（Ｎ）の原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、成長温度は約１０００℃で行った。
【００９２】
その後、下地種結晶層１１１上に、原料にシラン（ＳｉＨ4）を用いた熱化学気層成長（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＣＶＤ）法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）を成膜する。
【００９３】
その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、酸化シリコンをパターニングすることにより、図４（ｂ）に示すように、ｍ軸に平行でａ軸方向に５μｍの幅を有するストライプ状のマスク膜Ｍ１０を複数形成する。なお、隣接するマスク膜Ｍ１０の間には、ｍ軸に平行でａ軸方向に例えば６μｍの幅を有するストライプ状の開口部が形成される。すなわち、開口部には、酸化シリコンが形成されておらず、下地種結晶層１１１のＧａＮが露出している。なお、基板１１０及び積層構造体の結晶方位をｃ、ａ及びｍとすると、ｃ軸は面方位が（０００１）面の法線ベクトルであり、ａ軸は面方位が（１１−２０）面の法線ベクトルであり、ｍ軸は面方位が（１−１００）面の法線ベクトルである。
【００９４】
次に、図４（ｃ）に示すように、エッチングガスである四フッ化炭素（ＣＦ4）を用いた誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）エッチング装置によりエッチングすることにより、マスク膜Ｍ１０の複数の開口部を通して下地種結晶層１１１に深さが１．８μｍの凹部を複数個形成する。これにより、下地種結晶層１１１に複数の凸部１１１ａを形成することができる。
【００９５】
その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてマスク膜Ｍ１０を除去することにより、図４（ｄ）に示すように、凹凸構造の下地種結晶層１１１が形成された下地基板を形成することができる。なお、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ（凹部）は、ｍ軸方向に延びるストライプ形状である。
【００９６】
次に、この下地基板を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの結晶成長を行う。この場合、凹凸構造を有する下地種結晶層１１１が形成された基板１１０をＭＯＣＶＤ装置反応炉に入れ、Ｎ2ガス及びＧａＮ結晶の窒素原料であるアンモニアガス雰囲気中にて８００℃までの昇温を実施する。その後、窒素原料をアンモニア（ＮＨ3）からジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）に代えて、成長層としてＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮの成長層は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの各側面から選択的に結晶成長する。なお、このときの結晶成長温度は約８００℃であり、アンモニアの供給は停止している。
【００９７】
ＤＭＨｙによるＧａＮの成長は、アンモニアによるＧａＮの成長と比べて特殊な成長モードを実現することができ、本実施形態では、種結晶である凸部１１１ａの側面のみからＧａＮの成長を開始させ、かつ横方向（基板主面に対して略平行方向）にのみＧａＮを結晶成長させることができきる。なお、この横方向にのみ成長する半導体層を横方向エピタキシャル成長層と呼んでおり、本実施形態では、横方向成長層１１２とする。横方向成長層１１２は、ＤＭＨｙの流量を多く設定することにより、約１０μｍ／ｈという高速な結晶成長速度で成長させることができ、なおかつ、このような高速な結晶成長速度であるにも拘わらず、高品質な結晶性が維持されている。横方向成長層１１２の結晶面方位は、種結晶である下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの側面における面方位と同一である。このように、ＤＭＨｙにより成長した横方向成長層１１２は横方向にのみ成長するため、下地種結晶層１１１の凸部側面とＧａＮとの界面における転位は全て横方向（基板主面に対して略平行方向）に曲げられる。
【００９８】
下地種結晶層１１１の凸部側面から横方向に成長を開始した横方向成長層１１２は、向かい合う凸部側面から成長した横方向成長層１１２ａ、１１２ｂとが接続するまで成長を行う。これにより、図４（ｅ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ同士の間（凹部）は横方向成長層１１２によって埋め込まれる。このとき、隣り合う横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士は接続して合体している。
【００９９】
また、本実施形態では、上述したように、ＧａＮからなる横方向成長層１１２の成長条件として、ＤＭＨｙの流量を多く設定している。これにより、ＤＭＨｙに含まれる炭素（Ｃ）が横方向成長層１１２に意図的に（積極的に）取り込まれる。横方向成長層１１２に積極的に取り込まれた炭素は、その上部に形成される層の格子定数を大きくする働きを担っている。ここでは、横方向成長層１１２の炭素濃度は、例えば、１×１０19ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3程度である。
【０１００】
さらに、横方向成長層１１２の窒素原料にＤＭＨｙを用いることにより、横方向成長領域における水素（Ｈ）濃度を低下させることができる。これは、ＤＭＨｙの熱分解過程において不安定なメチル（ＣＨ3）基を遊離させることができるからであり、これがメタン（ＣＨ4）として安定化するので、表面にある水素と効率良く結合するためである。その結果、横方向成長層１１２における水素濃度は、その上部に成長する下地層１１４等の他の窒化物半導体層と比べてさらに低下させることができる。これにより、活性層１１７の水素の拡散を効率良く抑制することができるので、半導体レーザ装置１の動作電圧を安定化することができる。
【０１０１】
次に、ＧａＮの窒素原料を、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）からアンモニア（ＮＨ3）に戻し、１１００℃まで温度を上昇させ、III族原料であるＴＭＧとｎ型のドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図４（ｆ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの上面及び横方向成長層１１２の上面に、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層１１４結晶成長させる。このとき、下地層１１４は、ｃ軸方向に成長する。
【０１０２】
また、この場合、下地層１１４には、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上と、隣り合う横方向成長層１１２ａ、２１１ｂが接合する接合領域１１３の直上とにおいて、転位が集中する。当該転位の方向は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの上面及び接合領域１１３の上面に垂直な方向となる。このように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ上及び接合領域１１３上には、高い転位密度である領域が形成される。一方、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ及び接合領域１１３以外の横方向成長層１１２上には、低転位化された領域が形成される。
【０１０３】
次に、図４（ｇ）に示すように、下地層１１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０１０４】
具体的には、下地層１１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層１１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層１１６上に、膜厚が７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層１１７を成長する。
【０１０５】
次に、活性層１１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層１１９を成長し、その後、膜厚が１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５ｎｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層１２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１２２を成長する。
【０１０６】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０１０７】
次に、同図４（ｇ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ１１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、横方向成長層１１２の接合部分１１３ａから横方向に向かって例えば約３μｍ以内の範囲で、かつ接合領域１１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０１０８】
このように、転位が集中した領域を含む下地層１１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層１１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０１０９】
次に、図４（ｈ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層１２０の上部を例えば０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部１２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ１１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層１２０の上に、リッジ部１２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜１２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部１２０ａの上面にある誘電体膜１２１に対して、リッジ部１２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとしてリッジ部１２０ａ上の誘電体膜１２１をエッチング除去し、リッジ部１２０ａの上面からｐ型コンタクト層１２２を露出する。
【０１１０】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部１２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層１２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図４（ｈ）に示すように、ｐ側電極１２３をパターン形成する。
【０１１１】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部１２０ａの上部のｐ側電極１２３を覆うように、且つ誘電体膜１２１の上に、リッジ部１２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極は、それぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっているとチップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０１１２】
次に、ｎ側電極１２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部１２０ａの近傍で且つリッジ部１２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層１１４を露出させる。その後、下地層１１４上にｎ側電極１２４を作成する。なお、ｎ側電極１２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０１１３】
その後、パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜１２１を除去する。次に、基板１１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板１１０を薄膜化する。次に、ｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０１１４】
以上により、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１を製造することができる。
【０１１５】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の実施例について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、図４（ｆ）に対応し、基板１１０上に下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２を形成し、その上に下地層１１４を形成した状態を示す下地基板の模式図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。本実施例の実験において、ストライプ状の開口部の幅は２０μｍとしたが、当該開口部の幅は、マスク膜Ｍ１０のパターンによって自由に変えることができ、異なる開口部の幅においても同等の結果が得られる。なお、本実施例では、図４で説明した方法によって、基板１１０上に膜厚が１．５μｍの下地層１１４を形成した。
【０１１６】
図５（ｂ）に示すように、下地種結晶層１１１の転位の向きは、（０００１）面方向に向いて伸びていることが分かる。これに対して、ＤＭＨｙにより成長した横方向成長層１１２は横方向にのみ成長し、下地種結晶層１１１の凸部側面との界面における転位は全て横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）方向に曲げられていることが分かる。
【０１１７】
さらに、同図５（ｂ）に示すように、下地層１１４における転位は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上に集中していることが分かる。また、横方向成長層１１２の直上部分における下地層１１４の転位は、低転位化された領域となっていることが分かる。
【０１１８】
また、図５（ｃ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上領域１１１ｂと、隣り合う横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士が合体した接合領域１１３とには、転位が帯状に集中して暗点として点在し、転位が制御されていることが分かる。また、下地種結晶層１１１における凸部１１１ａの直上領域１１１ｂと接合領域１１３との間の領域には転位が集中しておらず、低転位化された領域が形成されていることが分かる。
【０１１９】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０１２０】
以上、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０１２１】
なお、本実施形態において、基板１１０としてはサファイア基板を用いたが、これに限らない。例えば、低コストなＳｉＣ基板やＳｉ基板であっても同様のプロセスで同様の効果を奏する半導体レーザ装置を製造することができ、これらの基板を用いることにより更なる大面積化による低コスト化が可能である。
【０１２２】
また、本実施形態において、活性層１１７、ｎ型ガイド層１１６及びｐ型ガイド層１１８としては、光ディスク用光源に適するように、それぞれ、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造の活性層、ｎ型ＧａＮ及びｐ型ＧａＮとし、また、発光波長を４０５ｎｍ付近のものとしたが、これに限らない。例えば、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、ディスプレイ用の半導体レーザ装置として用いることができる。ディスプレイ用の半導体レーザ装置は、発光波長が青色（波長４５０ｎｍ）から緑色（波長５３０ｎｍ）であることが好ましく、この発光波長を実現するためには、活性層１１７の井戸層としては、Ｉｎ組成が１０％〜２０％、もしくはそれ以上の組成であるＩｎＧａＮ層とすることが好ましい。また、ｎ型ガイド層１１６及び／又はｐ型ガイド層１１８としては、光閉じ込めを大きくするために、それぞれ、ｎ型又はｐ型のＩｎＧａＮ層とすることが好ましい。
【０１２３】
また、下地層１１４としては、ｎ型のＧａＮ以外にも、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮもしくはＡｌＮ/ＧａＮ超格子成長層を用いてもよい。
【０１２４】
また、本実施形態においては、キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８の上に形成されるとしたが、活性層１１７の上にキャリアオーバーフロー抑制層を形成し、さらにその上にｐ型ガイド層を形成するという構成にしてもよい。
【０１２５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【０１２６】
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、第１の実施形態と同様に、自励発振型の半導体レーザ装置である。本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２と本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１とが異なる点は、下地基板の構造である。それ以外の構成要素は、基本的には同じである。
【０１２７】
図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、基板２１０と、基板２１０上に形成された下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５と、横方向成長層２１２と、ｎ型の下地層２１４とを備える。
【０１２８】
基板２１０は、例えば、主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板を用いることができる。
【０１２９】
下地種結晶層２１１は、ストライプ状の複数の凹部が形成された凹凸構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）等からなる窒化物半導体層である。下地種結晶層２１１は、複数の凹部が形成されることにより構成される複数の凸部２１１ａを備える。
【０１３０】
選択成長用誘電体膜２２５は、横方向成長層２１２の成長方向を選択するための選択成長用膜であり、下地種結晶層２１１の凹部を埋めるようにして形成されている。本実施形態では、選択成長用誘電体膜２２５として、ＳｉＯ2からなる誘電体膜を用いた。
【０１３１】
横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５上の全面に形成されたＧａＮ等からなる窒化物半導体層である。横方向成長層２１２は、選択成長用誘電体膜２２５によって、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面から成長が開始し、横方向（基板主面と略平行な方向）に結晶成長させたものである。横方向成長層２１２は、隣り合う凸部２１１ａから成長した横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接合して一体化して形成される。隣り合う横方向成長層２１２ａと横方向成長層２１２ｂとが合体した部分は接合部分２１３ａであり、接合部分２１３ａを含む周辺領域は接合領域２１３である。接合領域２１３は、接合領域２１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域２１３上に形成される層は転位が集中して転位密度が大きくなる。また、下地結晶層２１１の凸部２１１ａの上に形成される層も転位が集中して転位密度が大きくなる。本実施形態において、横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【０１３２】
下地層２１４は、横方向成長層２１２の上の全面に形成されたｎ型の窒化物半導体層である。本実施形態において、下地層２１４は、不純物としてＳｉ（シリコン）をドープしたｎ型のＧａＮで構成した。
【０１３３】
さらに、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、図６に示すように、下地層２１４の上に、ｎ型クラッド層２１５、ｎ型ガイド層２１６、活性層２１７、ｐ型ガイド層２１８、キャリアオーバーフロー抑制層２１９及びｐ型クラッド層２２０が順次積層されている。これらの層は、窒化物半導体からなる積層構造体である。下地層２１４、ｎ型クラッド層２１５、ｎ型ガイド層２１６、活性層２１７、ｐ型ガイド層２１８、キャリアオーバーフロー抑制層２１９及びｐ型クラッド層２２０の各層は、第１の実施形態における、下地層１１４、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、ｐ型ガイド層１１８、キャリアオーバーフロー抑制層１１９及びｐ型クラッド層１２０と同様にして構成することができる。
【０１３４】
ｐ型クラッド層２２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部２２０ａを有し、このリッジ部２２０ａ上には、ｐ型コンタクト層２２２とｐ側電極２２３（第２電極）が形成されている。これにより、ｐ側電極２２３はｐ型コンタクト層２２２と電気的に接続されている。
【０１３５】
また、ｐ型クラッド層２２０のリッジ部２２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜２２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層２１４が露出されており、下地層２１４の上には、ｎ側電極２２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極２２４は、下地層２１４を介してｎ型クラッド層２１５と電気的に接続されている。
【０１３６】
ｐ型コンタクト層２２２及びｐ側電極２２３が形成されているリッジ部２２０ａは活性層２１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極２２３及びリッジ部２２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域２３０である。
【０１３７】
なお、誘電体膜２２１、ｐ型コンタクト層２２２、ｐ側電極２２３及びｎ側電極２２４は、第１の実施形態における、誘電体膜１２１、ｐ型コンタクト層１２２、ｐ側電極１２３及びｎ側電極１２４と同様にして構成することができる。
【０１３８】
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２では、上述のとおり、下地種結晶層２１１の凹部に選択成長用誘電体膜２２５が形成されており、表面が下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面と選択成長用誘電体膜２２５とで構成される下地基板を用いる。これにより、この上に形成される横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１の隣り合う凸部２１１ａの上面から成長した横方向成長層２１２ａ、２１２ｂが接合して形成される。そして、接合領域２１３上に形成される積層構造体には、誘電体膜２２１から接合領域２１３にかけて帯状の転位領域２４１が形成されている。つまり、横方向成長層２１２における接合領域２１３上に成長する層は、接合領域２１３の接合部分２１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【０１３９】
一方、接合領域２１３が形成されていない横方向成長層２１２であって選択成長用誘電体膜２２５上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【０１４０】
また、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上に形成される横方向成長層２１２とその上の下地層２１４にも転位が集中した領域が形成されており、帯状の転位領域２５１が下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上における横方向成長層２１２と下地層２１４に形成されている。
【０１４１】
このように本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、第１の実施形態と同様に、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域２４１が形成される。また、第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、電流注入領域２３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、電流注入領域２３０の近傍領域内の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域２４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係はａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。
【０１４２】
従って、本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、上述した本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１と同様の作用効果を奏する。
【０１４３】
なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なり、リッジ部２２０ａの近傍の一方のみに転位領域２４１を形成したが、この限りではない。第１の実施形態と同様に、リッジ部２２０ａの両側に転位領域を配置するように構成してもよい。
【０１４４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２の製造方法について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【０１４５】
まず、図７（ａ）に示すように、基板主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板からなる基板２１０の主面上に、膜厚が３．０μｍのＧａＮからなる下地種結晶層２１１を形成する。なお、下地種結晶層２１１の結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法により行った。より具体的には、第１の実施形態と同様に、Ｇａ及びＮの各原料として、それぞれＴＭＧ及びＮＨ3を用いた。また、成長温度は約１０００℃で行った。
【０１４６】
その後、下地種結晶層２１１上に、原料にシラン（ＳｉＨ4）を用いたＴＣＶＤ法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）を成膜する。
【０１４７】
その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、酸化シリコンをパターニングすることにより、図７（ｂ）に示すように、ｍ軸に平行でａ軸方向に３μｍの幅を有するストライプ状のマスク膜Ｍ２０を複数形成する。なお、隣接するマスク膜Ｍ２０の間には、ｍ軸に平行でａ軸方向に例えば２〜１０μｍの幅を有するストライプ状の開口部が形成される。すなわち、開口部には、酸化シリコンが形成されておらず、下地種結晶層２１１のＧａＮが露出している。
【０１４８】
次に、図７（ｃ）に示すように、エッチングガスである四フッ化炭素（ＣＦ4）を用いたＩＣＰエッチング装置によりエッチングすることにより、マスク膜Ｍ２０の複数の開口部を通して下地種結晶層２１１に深さが例えば１．８μｍの凹部を複数個形成する。これにより、下地種結晶層２１１に複数の凸部２１１ａを形成することができる。
【０１４９】
その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてマスク膜Ｍ２０を除去することにより、図７（ｄ）に示すように、凹凸構造の下地種結晶層２１１が形成された下地基板を形成することができる。なお、下地種結晶層２１１の凹部（凸部）は、ｍ軸方向に延びるストライプ形状である。
【０１５０】
次に、熱ＣＶＤ法によって下地種結晶層２１１の凹凸構造の表面にＳｉＯ2を成膜し、その後、ＳｉＯ2をリソグラフィ法及びエッチング法によってパターニングする。これにより、図７（ｅ）に示すように、下地種結晶層２１１の凹部に埋め込まれるようにして形成されたＳｉＯ2からなる選択成長用誘電体膜２２５を得ることができる。このとき、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上にはＳｉＯ2が形成されておらず、凸部２１１ａの上面は露出している。
【０１５１】
次に、このようにして形成された下地基板を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの結晶成長を行う。この場合、下地基板をＭＯＣＶＤ装置反応炉に入れ、Ｎ2ガス及びＧａＮ結晶の窒素原料であるアンモニアガス雰囲気中にて１１００℃までの昇温を実施する。その後、III族原料であるＴＭＧを流しＧａＮからなる結晶を成長させる。
【０１５２】
このとき、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面は（０００１）面であり、ＧａＮは凸部２１１ａの上面から選択的に結晶成長を開始する。そして、エピ条件である成長速度、Ｖ族流量、Ｖ族原料モル濃度とIII族原料のモル濃度比であるＶ／III比を調整することにより、基板主面方向である（０００１）面方向の成長速度と横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）面方向の成長速度とをコントロールする。これにより、（１１−２０）面方向の成長を促進させ、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接するまで成長させる。これにより、図７（ｆ）に示すように、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接合して接合部分２１３ａとなり、接合領域２１３を有する横方向成長層２１２を形成することができる。
【０１５３】
次に、成長温度はそのまま維持し、エピ条件である成長速度を大きくし、Ｖ族流量を小さくし、Ｖ族原料モル濃度とIII族原料のモル濃度比であるＶ／III比を低下させて調整することにより、基板主面方向である（０００１）面方向にＧａＮの成長が促進する条件に変更する。そして、III族原料であるＴＭＧとｎ型ドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図７（ｇ）に示すように、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層２１４を結晶成長させる。
【０１５４】
この場合、下地層２１４には、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上と、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂが接合する接合領域２１３の直上とにおいて、転位が集中する。当該転位の方向は、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上面及び接合領域２１３の上面に垂直な方向となる。このように、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上及び接合領域２１３上には、高い転位密度である領域が形成される。一方、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ及び接合領域２１３以外の横方向成長層２１２上には、低転位化された領域が形成される。なお、下地層２１４は、基板２１０上の全面に形成される。
【０１５５】
次に、図７（ｈ）に示すように、下地層２１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０１５６】
具体的には、下地層２１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層２１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層２１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層２１６上に、膜厚が７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層２１７を成長する。
【０１５７】
次に、活性層２１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層２１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層２１９を成長し、その後、膜厚が１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５ｎｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層２２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２２を成長する。
【０１５８】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０１５９】
次に、同７（ｈ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層２２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ２１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、横方向成長層２１２の接合部分２１３ａから横方向に向かって約５μｍ以内の範囲で、かつ接合領域２１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０１６０】
このように、転位が集中した領域を含む下地層２１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層２１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０１６１】
次に、図７（ｉ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層２２０の上部を０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部２２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ２１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層２２０の上に、リッジ部２２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜２２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部２２０ａの上面にある誘電体膜２２１に対して、リッジ部２２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして、リッジ部２２０ａ上の誘電体膜２２１をエッチング除去し、リッジ部２２０ａの上面からｐ型コンタクト層２２２を露出する。
【０１６２】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部２２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層２２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図７（ｉ）に示すように、ｐ側電極２２３をパターン形成する。
【０１６３】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部２２０ａの上部のｐ側電極２２３を覆うように、且つ誘電体膜２２１の上に、リッジ部２２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極は、それぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっているとチップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０１６４】
次に、ｎ側電極２２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部２２０ａの近傍で且つリッジ部２２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層２１４を露出させる。その後、下地層２１４上にｎ側電極２２４を作成する。なお、ｎ型ｎ側電極２２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０１６５】
その後、パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜２２１を除去する。次に、基板２１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板２１０を薄膜化する。次に、ｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０１６６】
以上により、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２を製造することができる。
【０１６７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２の実施例について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、基板２１０上に下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５を形成し、その上に横方向成長層２１２と下地層２１４とを形成した下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。なお、本実施例では、図７で説明した方法によって、基板２１０上に膜厚が１μｍの下地層２１４を形成した。
【０１６８】
図８（ａ）に示すように、下地種結晶層２１１の転位の向きは、（０００１）面方向に向いて伸びていることが分かる。これに対して、横方向成長層２１２は横方向に成長し、下地種結晶層２１１の凸部側面との界面における転位は全て横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）方向に曲げられていることが分かる。
【０１６９】
さらに、同図８（ａ）に示すように、下地層２１４における転位は、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上に集中していることが分かる。また、横方向成長層２１２の直上部分における下地層２１４の転位は、低転位化された領域となっていることが分かる。
【０１７０】
また、図８（ｂ）に示すように、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上領域２１１ｂと、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が合体した接合領域２１３とには、転位が帯状に集中して暗点として点在し、転位が制御されていることが分かる。また、下地種結晶層２１１における凸部２１１ａの直上領域２１１ｂと接合領域２１３との間の領域は転位が集中しておらず、低転位化された領域が形成されていることが分かる。
【０１７１】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０１７２】
以上、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０１７３】
なお、図８（ａ）において、横方向成長層２１２ａ、２１２ｂと選択成長用誘電体膜２２５との間に空隙が開いているが、この空隙は、下地種結晶層２１１の厚みを薄くしたり、横方向結晶層２１２ａ、２１２ｂの結晶成長条件を調整したりすることによって、無視できる程度まで小さく、もしくは無くすことが可能である。
【０１７４】
なお、本実施形態において、基板２１０としてはサファイア基板を用いたが、これに限らない。例えば、低コストなＳｉＣ基板やＳｉ基板であっても同様のプロセスで同様の効果を奏する半導体レーザ装置を製造することができ、これらの基板を用いることにより更なる大面積化による低コスト化が可能である。
【０１７５】
また、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、活性層１１７の井戸層を、Ｉｎ組成が１０％〜２０％もしくはそれ以上の組成であるＩｎＧａＮ層としたり、ｎ型ガイド層１１６及び／又はｐ型ガイド層１１８を、ｎ型またはｐ型のＩｎＧａＮ層としたりして、ディスプレイ用の半導体レーザ装置に適する構成としても構わない。
【０１７６】
また、下地層１１４としては、ｎ型のＧａＮ以外にも、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮもしくはＡｌＮ/ＧａＮ超格子成長層を用いてもよい。
【０１７７】
また、本実施形態においては、キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８の上に形成されるとしたが、活性層１１７の上にキャリアオーバーフロー抑制層を形成し、さらにその上にｐ型ガイド層を形成するという構成にしてもよい。
【０１７８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【０１７９】
本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３は、第１の実施形態と同様に、自励発振型の半導体レーザ装置である。本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３と本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１とが異なる点は、下地基板の構造である。また、本実施形態では、活性層やクラッド層などの積層体を、窒化物半導体の半極性面である（１−１０１）面に積層させることを特徴としている。なお、積層体や電極等の構成及び製造プロセスにおける作製条件については、第１の実施形態又は第２の実施形態とは若干異なるが、基本的には同様である。
【０１８０】
図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３は、断面形状が三角形の複数の凸部３１０ａを有する凹凸部が形成され、表面の結晶面が（１００）からおよそ７度傾いた結晶面を有するＳｉからなる基板３１０と、基板３１０の複数の凸部３１０ａの各々について当該凸部３１０ａの一方の側面に形成された下地種結晶層３１１と、複数の凸部３１０ａの各々について当該凸部３１０ａの他方の側面に形成された選択成長用膜である選択成長用誘電体膜３２５とを備える。凸部３１０ａの側面は、Ｓｉの（１１１）面からなり、傾斜角度は、水平方向に対して、一方が約６２度、他方は約４８度となる。傾斜角度が約６２度である側面には下地種結晶層３１１が形成され、傾斜角度が約４８度の側面には選択成長用誘電体膜３２５が形成される。なお、下地種結晶層３１１は、例えば、ＡｌＮ膜で構成することができる。また、選択成長用誘電体膜３２５は、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等で構成することができる。
【０１８１】
さらに、基板３１０の隣り合う凸部３１０ａ間（凹部）を埋めるようにして、下地種結晶層３１１の表面上に下地ＧａＮ成長層３１２が形成されている。下地ＧａＮ成長層３１２の上には、ＧａＮからなるｎ型の下地層３１４が形成されており、下地層３１４の上に、ｎ型クラッド層３１５、ｎ型ガイド層３１６、活性層３１７、ｐ型ガイド層３１８、キャリアオーバーフロー抑制層３１９、ｐ型クラッド層３２０が順次積層されている。
【０１８２】
なお、このとき、下地ＧａＮ成長層３１２の（１−１０１）面は、Ｓｉの（１１１）面より結晶成長を行う（１０００）面に対して、約６２度の角度を有しているため、上記の下地ＧａＮ成長層３１２の表面は水平面となる。このため、この下地ＧａＮ成長層３１２の上部に形成される積層体は基板板３１０の主面に対して垂直方向に積層されるため、後述の電極等を形成するプロセスを容易に行うことができる。
【０１８３】
ｐ型クラッド層３２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部３２０ａを有し、このリッジ部３２０ａ上には、ｐ型コンタクト層３２２、ｐ側電極３２３（第２電極）が形成されている。これにより、ｐ側電極３２３はｐ型コンタクト層３２２と電気的に接続されている。
【０１８４】
また、ｐ型クラッド層３２０のリッジ部３２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜３２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層３１４が露出されており、下地層３１４の上には、ｎ側電極３２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極３２４は、下地層３１４を介してｎ型クラッド層３１５と電気的に接続されている。
【０１８５】
ｐ型コンタクト層３２２及びｐ側電極３２３が形成されているリッジ部３２０ａは活性層３１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極３２３及びリッジ部３２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域３３０である。
【０１８６】
本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３では、上述のとおり、基板３１０の凸部３１０ａの一方の側面には下地種結晶層３１１が形成され、他方の側面には選択成長用誘電体膜３２５が形成されている。これにより、この上に形成される下地ＧａＮ成長層３１２は、下地種結晶層３１１から成長を開始し、図９の矢印で示す方向に向かって成長する。そして、隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２同士が接合して接合部分３１３ａとなり、接合領域３１３が形成される。このとき、凸部側面と下地種結晶層３１１との界面より発生する転位は直線的に延びず、一方（凹部底部付近で発生した転位）は選択成長用誘電体膜３２５へ曲がり、選択成長用誘電体膜３２５表面に到達する。もう一方（凹部表面付近で発生した転位）は表面へと曲がり、接合領域３１３及び下地種結晶層３１１上に形成される積層構造体には、誘電体膜３２１から接合領域３１３及び下地種結晶層３１１にかけて、帯状の転位領域３４１が形成される。つまり、下地ＧａＮ成長層３１２における接合部分３１３ａ付近に成長する層は、接合領域３１３の接合部分３１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【０１８７】
一方、接合領域３１３が形成されていない選択成長用誘電体膜３２５上の下地ＧａＮ成長層３１２上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【０１８８】
このように、本実施形態において、下地ＧａＮ成長層３１２は、隣り合う凸部３１０ａの下地種結晶層３１１のそれぞれから成長した隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２同士が接合して一体化して形成される。そして、下地ＧａＮ成長層３１２における接合領域３１３は、接合領域３１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域３１３上に形成される層の転位密度は大きくなる。下地ＧａＮ成長層３１２は、下地種結晶層３１１及び選択成長用誘電体膜３２５とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【０１８９】
このように本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、第１及び第２の実施形態と同様に、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域３４１が形成される。また、第１及び第２の実施形態と同様に、本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、電流注入領域３３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、電流注入領域３３０の近傍領域の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域３４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係はａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。
【０１９０】
従って、本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、上述した本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体レーザ装置１、２と同様の作用効果を奏する。
【０１９１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【０１９２】
まず、基板３１０として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜の絶縁膜を有するＳｉ（１００）７°オフ基板を用意し、この基板３１０に対して、フォトリソグラフィー法やドライエッチングを用いて、ストライプ状の開口を有する上記絶縁膜からなるマスクを作製する。
【０１９３】
次に、マスクが形成されたＳｉ（１００）７°オフ基板を、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を用いたウェットエッチングを施すことにより、マスクの開口部に断面三角形の複数の凹部を形成する。これにより、図１０（ａ）に示すように、基板３１０に断面三角形の凸部３１０ａを複数個形成することができる。このとき、各凸部３１０ａの側面は傾斜した面となり、当該側面はシリコンの（１１１）ファセット面となる。
【０１９４】
次に、図１０（ｂ）に示すように、スパッタリング法や真空蒸着法により、凸部３１０ａの傾斜したシリコンの（１１１）ファセット面のうち一方を、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなる選択成長用誘電体膜３２５で覆う。
【０１９５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、凸部３１０ａの側面のうち、選択成長用誘電体膜３２５で覆われていない方の側面上に、ＡｌＮ膜からなる下地種結晶層３１１を形成する。
【０１９６】
その後、選択成長用誘電体膜３２５及び下地種結晶層３１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮからなる窒化物半導体結晶を成長すると、下地種結晶層３１１上にのみ窒化物半導体結晶が成長し始め、図１０（ｄ）の矢印で示す方向に成長する。このとき、窒化物半導体結晶の成長方向に、窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面の下地ＧａＮ成長層３１２が現れる。
【０１９７】
その後、さらに結晶成長を継続すると、一の凸部３１０ａの下地種結晶層３１１から成長した窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面は、その隣りの他の凸部３１０ａの下地種結晶層３１１から成長した窒化物半導体と接合し、図１０（ｄ）に示すように、連続膜の状態になった窒化物半導体の（１−１０１）面となる。
【０１９８】
次に、このようにして得られた下地ＧａＮ成長層３１２上に、III族原料であるＴＭＧとｎ型ドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図１０（ｅ）に示すように、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層３１４を結晶成長させる。この場合、種結晶となった凸部３１０ａの直上及び隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２が接合する接合領域３１３直上において転位が集中する。このように、接合部分３１３ａを含む接合領域３１３上には、高い転位密度である領域が形成され、一方、接合領域３１３以外の下地ＧａＮ成長層３１２上には、低転位化された領域が形成される。なお、下地層３１４は、基板３１０上の全面に形成される。
【０１９９】
次に、図１０（ｆ）に示すように、下地層３１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０２００】
具体的には、下地層３１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層３１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層３１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層３１６上に、膜厚が７．５μｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層３１７を成長する。
【０２０１】
次に、活性層３１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層３１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層３１９を成長し、その後、膜厚が１．５μｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５μｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層３２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３２２を成長する。
【０２０２】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０２０３】
次に、同１０（ｆ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層３２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ３１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、下地ＧａＮ成長層３１２の接合部分３１３ａから横方向に向かって約５μｍ以内の範囲で、かつ接合領域３１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０２０４】
このように、転位が集中した領域を含む下地層３１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層３１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０２０５】
次に、図１０（ｇ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層３２０の上部を０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部３２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ３１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層３２０の上に、リッジ部３２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜３２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部３２０ａの上面にある誘電体膜３２１に対して、リッジ部３２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして、リッジ部３２０ａ上の誘電体膜３２１をエッチング除去し、リッジ部３２０ａの上面からｐ型コンタクト層３２２を露出する。
【０２０６】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部３２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層３２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図１０（ｇ）に示すように、ｐ側電極３２３をパターン形成する。
【０２０７】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部３２０ａの上部のｐ側電極３２３を覆うように、且つ誘電体膜３２１の上に、リッジ部３２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極はそれぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっていると、チップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０２０８】
次に、ｎ側電極３２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部３２０ａの近傍で且つリッジ部３２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層３１４を露出させる。その後、下地層３１４上にｎ側電極３２４を作成する。なお、ｎ側電極３２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０２０９】
その後パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜３２１を除去する。次に、基板３１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板３１０を薄膜化する。次に、積層体の窒化物半導体材料の結晶軸に関してｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。このとき、積層体のｍ面方向は基板３１０の（１００）面であるので、容易に積層体と基板３１０を劈開により分離することができる。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０２１０】
以上により、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３を製造することができる。
【０２１１】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０２１２】
以上、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０２１３】
なお、本実施形態では、基板３１０としてはＳｉ基板を用いたが、これに限らない。
次に、本発明の各実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例、特に好適な例について説明する。
【０２１４】
まず、各実施形態において、転位が集中した帯状の転位領域（第２転位領域）は、電流注入領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在することが好ましい。
【０２１５】
これにより、電流非注入領域に染み出した導波光を効率よく吸収することができ、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２１６】
また、各実施形態において、転位が集中した帯状の転位領域の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【０２１７】
これにより、可飽和吸収領域内における光吸収量を増大させることができるので、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２１８】
また、各実施形態においては活性層の材料は、各実施形態にものに限定されるものではないが、活性層はインジウムを含むことが好ましい。
【０２１９】
これにより、紫外領域から可視領域までの発光波長を実現することができるので、用途に合わせて自由に発光波長を変えることができる。さらに、Ｉｎを含む窒化物材料はＩｎの偏析が非常にしやすい材料であることから、Ｉｎの偏析部分はバンドギャップエネルギーが小さくなり、可飽和吸収領域内の導波光の光を効率的に光吸収させることが可能となる。これにより、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２０】
また、第１及び第２の実施形態において、横方向成長層１１２、１１３は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。
【０２２１】
これにより、光導波路領域内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能であり、導波路損失を低減することで閾値電流密度の低減が可能となる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２２】
また、各実施形態において、下地層は、その一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなることが好ましい。
【０２２３】
これにより、平均的な屈折率を低減することができ、光導波路内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能となる。従って、導波路損失を低減することができ、閾値電流密度の低減が可能となる。よって、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２４】
また、各実施形態において、積層構造体における半導体層の主面は、半極性又は無極性であることが好ましい。
【０２２５】
これにより、積層構造体におけるピエゾ効果を低減することができるので、電子と正孔との空間的な離間を解消することができる。従って、光吸収により生じたキャリアの消滅時間が早くなり、光吸収が可能になるまでの時間を短くすることができ、単位時間当たりの光吸収量を増大させることができる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２６】
以上、本発明に係る半導体レーザ装置について、各実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２２７】
本発明は、光ディスク用、ディスプレイ用又は照明用の光源等として有用である。
【符号の説明】
【０２２８】
１、２、３ 半導体レーザ装置
１１０、２１０、３１０ 基板
１１１、２１１ 下地種結晶層
１１１ａ、２１１ａ、３１０ａ 凸部
１１１ｂ、２１１ｂ 直上領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ 横方向成長層
１１３、２１３、３１３ 接合領域
１１３ａ、２１３ａ、３１３ａ 接合部分
１１４、２１４、３１４ 下地層
１１５、２１５、３１５ ｎ型クラッド層
１１６、２１６、３１６ ｎ型ガイド層
１１７、２１７、３１７ 活性層
１１８、２１８、３１８ ｐ型ガイド層
１１９、２１９、３１９ キャリアオーバーフロー抑制層
１２０、２２０、３２０ ｐ型クラッド層
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ リッジ部
１２１、２２１、３２１ 誘電体膜
１２２、２２２、３２２ ｐ型コンタクト層
１２３、２２３、３２３ ｐ側電極
１２４、２２４、３２４ ｎ側電極
１３０、２３０、３３０ 電流注入領域
１４０、１５０ 近傍領域
１４１、１５１、２４１、２５１、３４１ 転位領域
１６０ 光導波路領域
１７０ 電流分布
２２５、３２５ 選択成長用誘電体膜
３１１ 下地種結晶層
３１２ 下地ＧａＮ成長層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク用光源又はディスプレイ用光源に用いられる半導体レーザ装置に関し、特に、窒化物半導体を用いた自励発振動作型の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置は、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（登録商標））用光ピックアップ装置の光源として特性向上や低価格化への取り組みが盛んになされている。また、近年では、窒化物半導体を用いて青色から緑色までのレーザ光を発振する半導体レーザ装置が開発され、プロジェクターなどディスプレイの小型光源としても非常に期待されている。このような光ディスクやディスプレイに用いられる半導体レーザ装置においては、半導体レーザ装置のノイズを低減することが重要になっている。
【０００３】
例えば、ＢＤ用光ピックアップ装置においては、半導体レーザ装置から出射されたレーザ光は、光ディスク（ＢＤ）によって反射した後、再び半導体レーザ装置の端面に入射して、これによって戻り光ノイズが生じる。この戻り光ノイズは光ディスクの読み取りエラーの原因となる。このため、現在、ＢＤの信号再生時には高周波重畳回路を用いて半導体レーザ装置に高周波の電流を重畳させることにより発振スペクトルをマルチモード化させ、レーザ光の持つ干渉性を低減することにより戻り光ノイズを低減する方法が用いられている。
【０００４】
また、ディスプレイ用の半導体レーザ装置においては、レーザの持つ高い干渉性により、画面内で局所的に干渉の強弱が発生し、画面がギラついて見える、いわゆるスペックノイズが発生する。このようなスペックノイズを低減させるため、ディスプレイ用に用いられる半導体レーザ装置には、例えば、振動子を半導体レーザ装置に取り付け振動させることで、干渉の強弱を画面内で平滑化させるような検討がなされている。
【０００５】
しかしながら、このようなノイズ対策として高周波重畳回路や振動子を光源に新たに取り付けることは、光源のコストアップにつながり好ましくない。そこで、半導体レーザ装置自体の低ノイズ化が求められている。
【０００６】
半導体レーザ装置を低ノイズ化する方法としては、発光光の干渉性を低減させることが考えられる。従来、発光光の干渉性を低減する方法として、自励発振動作が可能な自励発振型の半導体レーザ装置が提案されている。
【０００７】
特許文献１に、従来の自励発振型の半導体レーザ装置が開示されている。特許文献１には、活性層において電流が注入される電流注入領域の周囲に、可飽和吸収領域と呼ばれる光吸収領域を形成することにより自励発振動作を引き起こすことが開示されている。このような自励発振動作においては、光導波路内の実効屈折率が変化するため、発振波長に揺らぎが生じて干渉性が低減し、これによりノイズを低減させることが可能となる。
【０００８】
以下、特許文献１に開示された従来の自励発振型の半導体レーザ装置について、図１１用いて説明する。図１１は、従来の自励発振型の半導体レーザ装置の断面図である。
【０００９】
図１１に示すように、従来の自励発振型の半導体レーザ装置は、サファイア基板４０１上に、ｎ型コンタクト層４０２と、ｎ型クラッド層４０３と、活性層４０４と、ｐ型クラッド層４０５と、ｎ型電流狭搾層４０６、４０７と、ｐ型コンタクト層４０８とが積層されて構成されている。
【００１０】
ｐ型クラッド層４０５は、活性層４０４の表面を覆って形成された平坦部４０５ａと、平坦部４０５ａの中央部に上向きに凸設された幅Ｗ２の下段ストライプ部４０５ｂと、下段ストライプ部４０５ｂの中央部にさらに凸設された幅Ｗ１の上段ストライプ部４０５ｃとで構成される。下段ストライプ部４０５ｂ及び上段ストライプ部４０５ｃは、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも狭くなるように構成されている。
【００１１】
また、ｎ型コンタクト層４０２の開口部上にはｎ側電極４０９が設けられており、ｐ型コンタクト層４０８上にはｐ側電極４１０が設けられている。
【００１２】
このような構成の半導体レーザ装置によれば、ｐ型クラッド層４０５から活性層４０４へ流れる電流は、幅Ｗ１の上段ストライプ部４０５ｃによって横方向への拡がりが規制された状態で活性層４０４へ流れる。従って、活性層４０４の中央に、上段ストライプ部４０５ｃの幅Ｗ１に応じた大きさの電流注入領域が形成される。また、下段ストライプ部４０５ｂの幅Ｗ２が上段ストライプ部４０５ｃの幅Ｗ１よりも広がっているので、発光スポット幅が下段ストライプ部４０５ｂの幅Ｗ２に応じた大きさとなり、発光スポット幅は電流注入領域の幅よりも大きくなる。これにより、電流注入領域の周囲に可飽和吸収領域が形成されることになり活性層４０４において、電流注入領域と可飽和吸収領域が相互作用し自励発振動作して、パルス状の光出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２８６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の自励発振型の半導体レーザ装置では、安定した自励発振動作を行わせることが難しいという問題がある。
【００１５】
ところで、自励発振型の半導体レーザ装置では、電流広がりによって生じる活性層内の光学利得領域（その幅をＧとする）をできるだけ狭くし、逆に光導波路スポットサイズ（その幅をＳとする）を比較的大きく設定し、Ｓ＞Ｇなる関係を満たした場合に、この差分が可飽和吸収領域として機能して自励発振動作が生じる。このため、自励発振型の半導体レーザ装置は、屈折率導波路（Ｉｎｄｅｘ Ｇｕｉｄｅ）型の半導体レーザ装置と、利得導波路（Ｇａｉｎ Ｇｕｉｄｅ）型の半導体レーザ装置との中間的な導波路を構成する。
【００１６】
ここで、自励発振型の半導体レーザ装置において、十分な可飽和吸収効果を生じさせることは、安定した自励発振動作を維持させる上で重要である。可飽和吸収効果は、活性層中央部の光学利得領域（発光領域）の微分利得（∂Ｇ／∂ｎ：Ｇは光学利得、ｎは注入キャリア濃度）が小さく（レーザ発振時飽和）、また、可飽和吸収領域の微分利得が大きく、さらには、その両者の差が大きいことが有効である。すなわち、自励発振条件は、光学利得領域と可飽和吸収領域における微分利得とその大きさが重要である。なお、一般的に、活性層構造としては多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を採用する場合が多い。
【００１７】
このように、自励発振動作を安定して発生させるためには、次の２つのことが必要であると考えられる。第一に、（１）活性層の発光領域での微分利得と可飽和吸収領域での微分利得との差が大きく、かつ、発光領域の微分利得が飽和しやすい構造であること、第二に、（２）可飽和吸収領域での光吸収効果が大きいこと、である。この（１）（２）の条件について、図１２及び図１３を用いて以下考察する。
【００１８】
図１２は、活性層がバルク構造の半導体レーザ装置における光学利得Ｇと注入キャリア濃度ｎとの一般的な関係を示す図である。上述のとおり、安定した自励発振動作を起こさせるためには、上記の条件を満たすことが必要である。しかしながら、活性層がバルク構造の半導体レーザ装置においては、図１２に示すように、発光領域での微分利得が飽和しにくいため、自励発振動作がしにくくなる。
【００１９】
また、図１３は、活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置における量子井戸数Ｎと光学利得の注入キャリア濃度との関係を定性的に示した図である。図１３に示すように、活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置では、量子井戸数Ｎが増加すると、光学利得は飽和しにくくなり自励発振動作はしにくくなる。逆に、量子井戸数Ｎが少ないほど発光領域の光学利得Ｇが飽和しやすくなる。つまり、バルク構造のように光学利得が飽和しにくい活性層よりも量子井戸数が少ないＭＱＷ構造の活性層の方が、光学利得が飽和しやすく、飽和効果を強くすることによって自励発振動作を強くすることができる。
【００２０】
一方、光吸収領域における光吸収係数については、図１２及び図１３を参照すると、量子井戸構造の活性層の吸収係数が小さく、バルク構造の活性層の光吸収係数の方が量子井戸構造の活性層の光吸収係数よりも大きい。なお、この点は、量子井戸構造を光導波路に用いた場合、導波路損失が少なく良好な導波路特性を得られることからも実証されている。
【００２１】
しかしながら、光吸収係数が小さく光吸収量が少ないことは、上記（２）の「可飽和吸収領域での光吸収効果が大きいこと」という条件に反することになるため安定した自励動作実現が困難となる。光吸収量を増加させるには、バルク構造の活性層を導入するか多重量子井戸構造の活性層にて量子井戸数を増加することが有効であるが、この場合、逆に、上記（１）の「活性層の発光領域での微分利得と可飽和吸収領域での微分利得差が大きく、かつ、発光領域の微分利得が飽和しやすい構造であること」という条件を満たすことができない。
【００２２】
このように、現在のところ、（１）（２）を両立させて、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置は実現されていない。
【００２３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、安定した自励発振動作を行う半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願の発明者らは、上記目的を実現するために、活性層電流注入領域を含む光導波路内において電流狭搾構造により狭搾された電流分布と光導波路内の光分布とを大きく変えることを検討した。そして、光導波路領域において、活性層内の電流分布の広がっている活性層電流注入領域においては低転位とし、活性層内の電流分布が広がっていない領域である可飽和吸収領域においては転位を帯状に集中して配置することで、キャリア寿命を短くして可飽和吸収の時間的復帰を促進し、安定した自励発振動作を実現することができるという知見を得ることができた。
【００２５】
本発明は、このような知見により得られたものであり、以下の解決手段によって実現される。
【００２６】
本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、自励発振動作をする半導体レーザ装置であって、基板と、当該基板の上に形成された第１導電型の下地層と、当該下地層の上に順次形成された、第１導電型のクラッド層、第１導電型のガイド層、活性層、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、前記第１導電型のクラッド層に電気的に接続された第１電極と、前記第２導電型のコンタクト層に電気的に接続された第２電極とを備え、前記積層構造体は、前記第２電極の下方に領域であって第１の転位密度の領域である第１転位領域と、前記第１の転位密度とは異なる第２の転位密度の領域である第２転位領域とを含み、前記第２の転位密度が、前記第１の転位密度よりも大きくなるように構成される。
【００２７】
本発明に係る半導体レーザの一態様によれば、活性層電流注入領域を含まない光導波路領域内における活性層領域である可飽和吸収領域の一部に、転位密度が相対的に大きい第２の転位密度である第２転位領域を存在させることができるので、可飽和吸収領域における光吸収量を増大させることができる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記積層構造体における光導波路領域は、前記第２電極から注入された電流が前記活性層に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、当該活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含み、前記活性層電流注入領域は、前記第１転位領域を含み、前記活性層電流非注入領域は、前記第２転位領域を含むことが好ましい。
【００２９】
本態様によれば、光導波路領域内において、活性層電流注入領域に存在する第１転位領域と、活性層電流非注入領域である可飽和吸収領域に存在する第２転位領域とが含まれることになる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３０】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２転位領域は、前記光導波路領域内に１箇所のみ存在することが好ましい。
【００３１】
可飽和吸収領域に転位が集中した転位領域が複数存在すると光吸収量が大幅に増大して閾値電流の増大を招く恐れがある。本態様によれば、必要最小限の光吸収量を確保することができる。例えば、活性層電流注入領域に対して左右どちらか一方に第２転位領域を配置することで、大幅な閾値電流の増大を防ぎ且つ安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３２】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２転位領域は、前記第１転位領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在することが好ましい。
【００３３】
安定した自励発振動作は、光導波路領域内における活性層電流注入領域と可飽和吸収領域として働く電流非注入領域とのバランスにより保たれる。このバランスは、電流注入領域からの電流の横方向拡散距離（光学利得が正の領域）に対して光の横方向への拡がり距離を大きくすることにより実現できる。すなわち、光学利得が正の領域と、光導波路内の電流が注入されない活性層領域、すなわち光学利得が負の領域とのバランスによる。
【００３４】
導波光として横方向への光の染みだしは数μｍ以下であるので、電流注入領域幅があまりに広いと、利得が正の領域の割合に対して、可飽和吸収領域の割合が小さくなりすぎて安定した自励発振動作が得られない。
【００３５】
そこで、本態様のように、光導波路領域内の電流非注入領域内における第２転位領域までの距離を第１転位領域の中心から５μｍ以内にすることにより、電流非注入領域に染み出した導波光を効率よく吸収することができる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００３６】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【００３７】
本態様のように、第２転位領域内の転位密度を１×１０7／ｃｍ2以上にすることにより、可飽和吸収領域内における光吸収量を増大させることができる。これにより、転位密度の増大よる光吸収により生じたキャリアは非発光再結合により支配的に消滅する。従って、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。なお、安定した自励発振動作をさせるには、電流注入領域から横方向への光の染み出しと光吸収量とのバランスで決まる。また、電流注入領域における電流注入密度は数ｋＡ／ｃｍ2レベルに達することから、電流注入領域では低転位であることが求められ、１×１０6／ｃｍ2台もしくはそれ以下の転位密度であることが好ましい。
【００３８】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記活性層が、インジウムを含むことが好ましい。
【００３９】
本態様のように、活性層がＩｎを含むように構成することにより、紫外領域から可視領域までの発光波長を実現することができる。従って、用途に合わせて自由に発光波長を変えることができる。さらに、Ｉｎを含む窒化物材料はＩｎの偏析が非常にしやすい材料であることから、Ｉｎの偏析部分はバンドギャップエネルギーが小さくなり、可飽和吸収領域内の導波光の光を効率的に光吸収させることが可能となる。これにより、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４０】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板と前記下地層との間に転位制御層を備え、前記転位制御層は、当該転位制御層の上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域を有することが好ましい。
【００４１】
本態様によれば、転位制御層によって転位集中可領域の位置を制御することができる。これにより、転位集中可領域の上部に積層される層における転位領域（第２転位領域）の位置を電流注入領域に対して横方向に自由に調整することができる。従って、光導波路領域内の光分布に対して自由に位置制御を行うことが可能であるため、光吸収量を自由に調整できる。よって、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４２】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、窒化物半導体が前記基板の主面に対して平行な方向に成長された横方向成長層を有することが好ましい。
【００４３】
これにより、横方向成長層によって転位集中可領域を容易に構成することができる。
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記横方向成長層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。
【００４４】
これにより、転位制御層の一部をＧａＮより屈折率の低いＡｌxＧａ1-xＮで構成することができ、この結果、光導波路領域内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能であり、導波路損失を低減することで閾値電流密度の低減が可能となる。従って、安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００４５】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された成長層とを備え、前記成長層は、向かい合う前記凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００４６】
本態様のように、下地種結晶層の凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００４７】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、前記成長層は、前記複数の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００４８】
本態様のように、下地種結晶層の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００４９】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板に複数の凸部が形成されており、前記転位制御層は、前記複数の凸部の各々について前記凸部の一方の側面に形成された下地種結晶層と、前記複数の凸部の各々について前記凸部の他方の側面に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、前記成長層は、複数の前記下地種結晶層のうちの一の下地種結晶層から成長した第１成長層と、前記一の下地種結晶膜とは異なる他の下地種結晶層から成長した第２成長層とが接合して形成され、前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域であることが好ましい。
【００５０】
本態様のように、基板の凸部の側面に形成された下地種結晶層から成長した第１成長層と第２成長層とを接合して成長層を形成することにより、当該接合領域を転位集中可領域とすることができる。これにより、転位を集中させた第２転位領域を容易に形成することができる。
【００５１】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記下地層の一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなることが好ましい。
【００５２】
これにより、転位集中可領域の上部に積層される層における転位領域（第２転位領域）の転位数を制御することができる。
【００５３】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記基板が、サファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板であることが好ましい。
【００５４】
レーザ光源用の低転位基板は現状のところ非常に高価なものであるが、本態様のように、低コストなサファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板を用いることで、一素子当たりのコストを大幅に低減することができる。これにより、低コストで自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【００５５】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記積層構造体の主面が、半極性又は無極性であることが好ましい。
【００５６】
従来から、ｃ面（有極性面）上での自励発振動作する半導体レーザ装置が実現されている。しかし、この場合、ピエゾ効果により活性層内の電子と正孔とが空間的に離れてしまうことになるので、可飽和吸収領域内での光吸収により生じたキャリアの消滅時間が長くなってしまう。
【００５７】
本態様のように、積層構造体の半導体層の主面を半極性又は無極性にすることにより、ピエゾ効果を低減することができ、電子と正孔とが空間的に離れなくなる。これにより、光吸収により生じたキャリアの消滅時間が早くなり、光吸収が可能になるまでの時間を短くすることができ、単位時間当たりの光吸収量を増大させることができる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００５８】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、キャリア寿命を短くし可飽和吸収の時間的復帰を促進し、安定した自励発振動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光導波路付近を模式的に表した一部拡大断面図である。
【図３】転位密度とＰＬ発光強度との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図５】（ａ）は、第１の実施形態に係る下地基板の模式図である。（ｂ）は、第１の実施形態に係る下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。（ｃ）は、（ｂ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図８】（ａ）は、第２の実施形態に係る下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。（ｂ）は、（ａ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【図１１】従来の自励発振型の半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】活性層がバルク構造の半導体レーザ装置における光学利得Ｇと注入キャリア濃度ｎとの一般的な関係を示す図である。
【図１３】活性層がＭＱＷ構造の半導体レーザ装置における量子井戸数Ｎと光学利得の注入キャリア濃度との関係を定性的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図は説明のための模式図であり、膜厚や各部の大きさの比等は必ずしも厳密ではなく、また、各図同士において一致しない場合もある。
【００６１】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【００６２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１は、自励発振動作を行う自励発振型の半導体レーザ装置であって、基板１１０と、基板１１０上に形成された下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２と、下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２の上に形成された第１導電型（ｎ型）の下地層１１４とを備える。
【００６３】
基板１１０は、例えば、主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板を用いることができる。
【００６４】
下地種結晶層１１１は、ストライプ状の複数の凹部が形成された凹凸構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）等からなる窒化物半導体層である。下地種結晶層１１１は、複数の凹部が形成されることにより構成される複数の凸部１１１ａを備える。
【００６５】
横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ間の凹部を埋めるようにして形成されたＧａＮ等からなる窒化物半導体層である。横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの側面から横方向（基板主面と略平行な方向）に結晶成長させたものであり、向かい合う凸部１１１ａの側面から成長した横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士が接合して一体化して形成される。隣り合う横方向成長層１１２ａと横方向成長層１１２ｂとが接合した部分は接合部分１１３ａであり、接合部分１１３ａを含むその周辺領域は接合領域１１３である。接合領域１１３は、接合領域１１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域１１３上に形成される層は転位が集中して転位密度が大きくなる。また、下地結晶層１１１の凸部１１１ａの上に形成される層も転位が集中して転位密度が大きくなる。本実施形態において、横方向成長層１１２は、下地種結晶層１１１とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【００６６】
下地層１１４は、下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２の上の全面に形成されたｎ型の窒化物半導体層である。本実施形態において、下地層１１４は、不純物としてＳｉ（シリコン）をドープしたｎ型のＧａＮで構成した。
【００６７】
さらに、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１は、図１に示すように、下地層１１４の上に、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、第１導電型とは異なる第２導電型（ｐ型）であるｐ型ガイド層１１８、キャリアオーバーフロー抑制層１１９及びｐ型クラッド層１２０が順次積層されている。これらの層は、窒化物半導体からなる積層構造体である。
【００６８】
ｎ型クラッド層１１５は、下地層１１４上に形成されたｎ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｓｉ等のｎ型の不純物がドープされたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎで構成することができる。
【００６９】
ｎ型ガイド層１１６は、ｎ型クラッド層１１５上に形成されたｎ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｓｉ等のｎ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。
【００７０】
活性層１１７は、ｎ型ガイド層１１６上に形成されており、例えば、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造の活性層である。
【００７１】
ｐ型ガイド層１１８は、活性層１１７上に形成されたｐ型窒化物半導体層であり、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）等のｐ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。
【００７２】
キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８上に形成された窒化物半導体層であり、例えば、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎで構成することができる。
【００７３】
ｐ型クラッド層１２０は、キャリアオーバーフロー抑制層１１９上に形成されたｐ型窒化物半導体層であり、例えば、ｐ型のＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎとｐ型のＧａＮとを複数回繰り返して積層して形成された歪超格子構造の窒化物半導体層で構成することができる。また、ｐ型クラッド層１２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部１２０ａを有する。
【００７４】
さらに、ｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａ上には、ｐ型コンタクト層１２２とｐ側電極１２３（第２電極）が形成されており、ｐ側電極１２３はｐ型コンタクト層１２２と電気的に接続されている。また、ｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜１２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層１１４が露出されており、下地層１１４の上には、ｎ側電極１２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極１２４は、下地層１１４を介してｎ型クラッド層１１５と電気的に接続されている。
【００７５】
ｐ型コンタクト層１２２及びｐ側電極１２３が形成されているリッジ部１２０ａは活性層１１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極１２３及びリッジ部１２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域１３０である。
【００７６】
本実施形態において、ｐ型コンタクト層１２２は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）等のｐ型の不純物がドープされたＧａＮで構成することができる。また、誘電体膜１２１は、ＳｉＯ2で構成することができる。ｐ側電極１２３は、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層金属膜によって構成することができ、ｎ側電極１２４は、Ｔｉ（チタン）と白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）との積層金属膜によって構成することができる。
【００７７】
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１では、上述のとおり、下地種結晶層１１１の凹部において隣り合った横方向成長層１１２ａ、１１２ｂが接合して接合領域１１３が形成されている。そして、接合領域１１３上に形成される積層構造体には、誘電体膜１２１から接合領域１１３にかけて帯状の転位領域１４１が形成されている。つまり、横方向成長層１１２における接合領域１１３上に成長する層は、接合領域１１３の接合部分１１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【００７８】
一方、接合領域１１３が形成されていない横方向成長層１１２上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【００７９】
また、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ上に直接下地層１１４が形成された領域上にも転位が集中した領域となっており、誘電体膜１２１から下地種結晶層１１１にかけて帯状の転位領域１５１が形成されている。つまり、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａも転位集中可領域として機能する。このように本実施形態に係る半導体レーザ装置１には、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域１４１、１５１が形成されている。
【００８０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の動作について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における光導波路付近を模式的に表した一部拡大断面図である。
【００８１】
図２において、破線で示す楕円領域は、半導体レーザ装置１の光導波路領域１６０を示している。光導波路領域１６０は、ｐ側電極１２３から注入された電流が活性層１１７に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含んでいる。
【００８２】
図２に示すように、本実施形態においては、ｐ側電極１２３の下方領域、すなわちｐ型クラッド層１２０のリッジ部１２０ａの下方領域とその周辺領域である電流注入領域１３０においては、光導波路領域１６０内の電流狭搾構造により電流を狭搾して電流分布１７０と光導波路領域１６０内の光分布とを大きく変えている。
【００８３】
すなわち、活性層１１７内の電流分布１７０の拡がっている領域を転位密度が低い低転位領域としている。また、電流注入領域１３０の周辺領域であって帯状の転位領域１４１を含む領域である近傍領域１４０は、光導波路領域１６０において電流分布１７０が拡がっていない領域であり、可飽和吸収領域として機能する。つまり、電流注入領域１３０における光導波路領域１６０は活性層電流注入領域であり、近傍領域１４０における光導波路領域１６０は活性層非電流注入領域である。
【００８４】
近傍領域１４０は、図１における接合領域１１３上における領域である。近傍領域１４０における帯状の転位領域１４１（第２転位領域）において、帯状の転位は、光導波路と平行（紙面垂直方向）で且つ基板垂直方向に帯状に集中して形成されている。そして、帯状の転位領域１４１によって光導波路領域１６０内の光が吸収されるので、生成されたキャリアに対して非発光再結合成分を増大させてキャリアの寿命を短くすることができる。これにより、可飽和吸収の時間的復帰を促進させる光吸収量を増大させることができるので、安定した自励発振動作を実現することができる。
【００８５】
このように構成される本実施形態に係る半導体レーザ装置１において、電流注入領域１３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、近傍領域１４０内の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域１４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係は、ａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。なお、帯状の転位領域１５１を含む近傍領域１５０も近傍領域１４０と同様であり、帯状の転位領域１５１は、光吸収量を増大させる可飽和吸収領域として機能する。
【００８６】
ここで、転位とキャリアの非発光再結合成分との関係について、図３を用いて説明する。図３は、転位密度とＰＬ（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光強度との関係を示す図である。なお、図３は、文献（Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.，７６，ｐ，２０００）において、既に調査及び報告されている。図３において、横軸は転位密度を示し、縦軸はＰＬ発光強度を示している。
【００８７】
図３に示すように、転位密度が１０7／ｃｍ-2以上になると、急激にＰＬ発光強度が低下することが分かる。これは、当初は励起されたキャリアにおける発光再結合成分が支配的であったが、転位密度が増大することにより、転位を介してキャリアが消滅して非発光再結合成分が増大し、ＰＬ発光強度が低下したことを示している。
【００８８】
従って、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１によれば、光導波路領域１６０内であって電流注入領域１３０の周辺領域である近傍領域１４０に転位を集中して配置させることにより、すなわち、可飽和吸収領域内に転位領域を配置させることにより、効率的に光吸収量を増大させることができる。
【００８９】
なお、本実施形態においては、帯状の転位領域（第２転位領域）として、近傍領域１４０の光導波路領域１６０内（可飽和吸収領域内）に２つの転位領域１４１、１５１を形成したが、これに限るものではない。可飽和吸収領域に転位が集中した転位領域が複数存在すると光吸収量が大幅に増大しすぎて、閾値電流の増大を招く場合もある。この場合、帯状の転位領域は、光導波路領域１６０内に１箇所のみ、例えば近傍領域１４０もしくは１５０のみに存在するように構成しても構わない。つまり、所望の光吸収量となるように、転位領域の数及び転位密度を設定すればよい。
【００９０】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の製造方法について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【００９１】
まず、図４（ａ）に示すように、基板主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板からなる基板１１０の主面上に、膜厚が３．０μｍのＧａＮからなる下地種結晶層１１１を形成する。なお、下地種結晶層１１１の結晶成長は、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により行った。より具体的には、ガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、窒素（Ｎ）の原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、成長温度は約１０００℃で行った。
【００９２】
その後、下地種結晶層１１１上に、原料にシラン（ＳｉＨ4）を用いた熱化学気層成長（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＣＶＤ）法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）を成膜する。
【００９３】
その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、酸化シリコンをパターニングすることにより、図４（ｂ）に示すように、ｍ軸に平行でａ軸方向に５μｍの幅を有するストライプ状のマスク膜Ｍ１０を複数形成する。なお、隣接するマスク膜Ｍ１０の間には、ｍ軸に平行でａ軸方向に例えば６μｍの幅を有するストライプ状の開口部が形成される。すなわち、開口部には、酸化シリコンが形成されておらず、下地種結晶層１１１のＧａＮが露出している。なお、基板１１０及び積層構造体の結晶方位をｃ、ａ及びｍとすると、ｃ軸は面方位が（０００１）面の法線ベクトルであり、ａ軸は面方位が（１１−２０）面の法線ベクトルであり、ｍ軸は面方位が（１−１００）面の法線ベクトルである。
【００９４】
次に、図４（ｃ）に示すように、エッチングガスである四フッ化炭素（ＣＦ4）を用いた誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）エッチング装置によりエッチングすることにより、マスク膜Ｍ１０の複数の開口部を通して下地種結晶層１１１に深さが１．８μｍの凹部を複数個形成する。これにより、下地種結晶層１１１に複数の凸部１１１ａを形成することができる。
【００９５】
その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてマスク膜Ｍ１０を除去することにより、図４（ｄ）に示すように、凹凸構造の下地種結晶層１１１が形成された下地基板を形成することができる。なお、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ（凹部）は、ｍ軸方向に延びるストライプ形状である。
【００９６】
次に、この下地基板を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの結晶成長を行う。この場合、凹凸構造を有する下地種結晶層１１１が形成された基板１１０をＭＯＣＶＤ装置反応炉に入れ、Ｎ2ガス及びＧａＮ結晶の窒素原料であるアンモニアガス雰囲気中にて８００℃までの昇温を実施する。その後、窒素原料をアンモニア（ＮＨ3）からジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）に代えて、成長層としてＧａＮを結晶成長させる。このとき、ＧａＮの成長層は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの各側面から選択的に結晶成長する。なお、このときの結晶成長温度は約８００℃であり、アンモニアの供給は停止している。
【００９７】
ＤＭＨｙによるＧａＮの成長は、アンモニアによるＧａＮの成長と比べて特殊な成長モードを実現することができ、本実施形態では、種結晶である凸部１１１ａの側面のみからＧａＮの成長を開始させ、かつ横方向（基板主面に対して略平行方向）にのみＧａＮを結晶成長させることができきる。なお、この横方向にのみ成長する半導体層を横方向エピタキシャル成長層と呼んでおり、本実施形態では、横方向成長層１１２とする。横方向成長層１１２は、ＤＭＨｙの流量を多く設定することにより、約１０μｍ／ｈという高速な結晶成長速度で成長させることができ、なおかつ、このような高速な結晶成長速度であるにも拘わらず、高品質な結晶性が維持されている。横方向成長層１１２の結晶面方位は、種結晶である下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの側面における面方位と同一である。このように、ＤＭＨｙにより成長した横方向成長層１１２は横方向にのみ成長するため、下地種結晶層１１１の凸部側面とＧａＮとの界面における転位は全て横方向（基板主面に対して略平行方向）に曲げられる。
【００９８】
下地種結晶層１１１の凸部側面から横方向に成長を開始した横方向成長層１１２は、向かい合う凸部側面から成長した横方向成長層１１２ａ、１１２ｂとが接続するまで成長を行う。これにより、図４（ｅ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ同士の間（凹部）は横方向成長層１１２によって埋め込まれる。このとき、隣り合う横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士は接続して合体している。
【００９９】
また、本実施形態では、上述したように、ＧａＮからなる横方向成長層１１２の成長条件として、ＤＭＨｙの流量を多く設定している。これにより、ＤＭＨｙに含まれる炭素（Ｃ）が横方向成長層１１２に意図的に（積極的に）取り込まれる。横方向成長層１１２に積極的に取り込まれた炭素は、その上部に形成される層の格子定数を大きくする働きを担っている。ここでは、横方向成長層１１２の炭素濃度は、例えば、１×１０19ｃｍ-3から５×１０20ｃｍ-3程度である。
【０１００】
さらに、横方向成長層１１２の窒素原料にＤＭＨｙを用いることにより、横方向成長領域における水素（Ｈ）濃度を低下させることができる。これは、ＤＭＨｙの熱分解過程において不安定なメチル（ＣＨ3）基を遊離させることができるからであり、これがメタン（ＣＨ4）として安定化するので、表面にある水素と効率良く結合するためである。その結果、横方向成長層１１２における水素濃度は、その上部に成長する下地層１１４等の他の窒化物半導体層と比べてさらに低下させることができる。これにより、活性層１１７の水素の拡散を効率良く抑制することができるので、半導体レーザ装置１の動作電圧を安定化することができる。
【０１０１】
次に、ＧａＮの窒素原料を、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）からアンモニア（ＮＨ3）に戻し、１１００℃まで温度を上昇させ、III族原料であるＴＭＧとｎ型のドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図４（ｆ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの上面及び横方向成長層１１２の上面に、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層１１４結晶成長させる。このとき、下地層１１４は、ｃ軸方向に成長する。
【０１０２】
また、この場合、下地層１１４には、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上と、隣り合う横方向成長層１１２ａ、２１１ｂが接合する接合領域１１３の直上とにおいて、転位が集中する。当該転位の方向は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの上面及び接合領域１１３の上面に垂直な方向となる。このように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ上及び接合領域１１３上には、高い転位密度である領域が形成される。一方、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａ及び接合領域１１３以外の横方向成長層１１２上には、低転位化された領域が形成される。
【０１０３】
次に、図４（ｇ）に示すように、下地層１１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０１０４】
具体的には、下地層１１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層１１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層１１６上に、膜厚が７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層１１７を成長する。
【０１０５】
次に、活性層１１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層１１９を成長し、その後、膜厚が１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５ｎｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層１２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１２２を成長する。
【０１０６】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０１０７】
次に、同図４（ｇ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ１１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、横方向成長層１１２の接合部分１１３ａから横方向に向かって例えば約３μｍ以内の範囲で、かつ接合領域１１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０１０８】
このように、転位が集中した領域を含む下地層１１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層１１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０１０９】
次に、図４（ｈ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層１２０の上部を例えば０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部１２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ１１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層１２０の上に、リッジ部１２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜１２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部１２０ａの上面にある誘電体膜１２１に対して、リッジ部１２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとしてリッジ部１２０ａ上の誘電体膜１２１をエッチング除去し、リッジ部１２０ａの上面からｐ型コンタクト層１２２を露出する。
【０１１０】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部１２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層１２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図４（ｈ）に示すように、ｐ側電極１２３をパターン形成する。
【０１１１】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部１２０ａの上部のｐ側電極１２３を覆うように、且つ誘電体膜１２１の上に、リッジ部１２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極は、それぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっているとチップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０１１２】
次に、ｎ側電極１２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部１２０ａの近傍で且つリッジ部１２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層１１４を露出させる。その後、下地層１１４上にｎ側電極１２４を作成する。なお、ｎ側電極１２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０１１３】
その後、パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜１２１を除去する。次に、基板１１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板１１０を薄膜化する。次に、ｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０１１４】
以上により、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１を製造することができる。
【０１１５】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１の実施例について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、図４（ｆ）に対応し、基板１１０上に下地種結晶層１１１及び横方向成長層１１２を形成し、その上に下地層１１４を形成した状態を示す下地基板の模式図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す下地基板を作製し、当該下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。本実施例の実験において、ストライプ状の開口部の幅は２０μｍとしたが、当該開口部の幅は、マスク膜Ｍ１０のパターンによって自由に変えることができ、異なる開口部の幅においても同等の結果が得られる。なお、本実施例では、図４で説明した方法によって、基板１１０上に膜厚が１．５μｍの下地層１１４を形成した。
【０１１６】
図５（ｂ）に示すように、下地種結晶層１１１の転位の向きは、（０００１）面方向に向いて伸びていることが分かる。これに対して、ＤＭＨｙにより成長した横方向成長層１１２は横方向にのみ成長し、下地種結晶層１１１の凸部側面との界面における転位は全て横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）方向に曲げられていることが分かる。
【０１１７】
さらに、同図５（ｂ）に示すように、下地層１１４における転位は、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上に集中していることが分かる。また、横方向成長層１１２の直上部分における下地層１１４の転位は、低転位化された領域となっていることが分かる。
【０１１８】
また、図５（ｃ）に示すように、下地種結晶層１１１の凸部１１１ａの直上領域１１１ｂと、隣り合う横方向成長層１１２ａ、１１２ｂ同士が合体した接合領域１１３とには、転位が帯状に集中して暗点として点在し、転位が制御されていることが分かる。また、下地種結晶層１１１における凸部１１１ａの直上領域１１１ｂと接合領域１１３との間の領域には転位が集中しておらず、低転位化された領域が形成されていることが分かる。
【０１１９】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０１２０】
以上、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０１２１】
なお、本実施形態において、基板１１０としてはサファイア基板を用いたが、これに限らない。例えば、低コストなＳｉＣ基板やＳｉ基板であっても同様のプロセスで同様の効果を奏する半導体レーザ装置を製造することができ、これらの基板を用いることにより更なる大面積化による低コスト化が可能である。
【０１２２】
また、本実施形態において、活性層１１７、ｎ型ガイド層１１６及びｐ型ガイド層１１８としては、光ディスク用光源に適するように、それぞれ、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層とＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造の活性層、ｎ型ＧａＮ及びｐ型ＧａＮとし、また、発光波長を４０５ｎｍ付近のものとしたが、これに限らない。例えば、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、ディスプレイ用の半導体レーザ装置として用いることができる。ディスプレイ用の半導体レーザ装置は、発光波長が青色（波長４５０ｎｍ）から緑色（波長５３０ｎｍ）であることが好ましく、この発光波長を実現するためには、活性層１１７の井戸層としては、Ｉｎ組成が１０％〜２０％、もしくはそれ以上の組成であるＩｎＧａＮ層とすることが好ましい。また、ｎ型ガイド層１１６及び／又はｐ型ガイド層１１８としては、光閉じ込めを大きくするために、それぞれ、ｎ型又はｐ型のＩｎＧａＮ層とすることが好ましい。
【０１２３】
また、下地層１１４としては、ｎ型のＧａＮ以外にも、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮもしくはＡｌＮ/ＧａＮ超格子成長層を用いてもよい。
【０１２４】
また、本実施形態においては、キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８の上に形成されるとしたが、活性層１１７の上にキャリアオーバーフロー抑制層を形成し、さらにその上にｐ型ガイド層を形成するという構成にしてもよい。
【０１２５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【０１２６】
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、第１の実施形態と同様に、自励発振型の半導体レーザ装置である。本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２と本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１とが異なる点は、下地基板の構造である。それ以外の構成要素は、基本的には同じである。
【０１２７】
図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、基板２１０と、基板２１０上に形成された下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５と、横方向成長層２１２と、ｎ型の下地層２１４とを備える。
【０１２８】
基板２１０は、例えば、主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板を用いることができる。
【０１２９】
下地種結晶層２１１は、ストライプ状の複数の凹部が形成された凹凸構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）等からなる窒化物半導体層である。下地種結晶層２１１は、複数の凹部が形成されることにより構成される複数の凸部２１１ａを備える。
【０１３０】
選択成長用誘電体膜２２５は、横方向成長層２１２の成長方向を選択するための選択成長用膜であり、下地種結晶層２１１の凹部を埋めるようにして形成されている。本実施形態では、選択成長用誘電体膜２２５として、ＳｉＯ2からなる誘電体膜を用いた。
【０１３１】
横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５上の全面に形成されたＧａＮ等からなる窒化物半導体層である。横方向成長層２１２は、選択成長用誘電体膜２２５によって、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面から成長が開始し、横方向（基板主面と略平行な方向）に結晶成長させたものである。横方向成長層２１２は、隣り合う凸部２１１ａから成長した横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接合して一体化して形成される。隣り合う横方向成長層２１２ａと横方向成長層２１２ｂとが合体した部分は接合部分２１３ａであり、接合部分２１３ａを含む周辺領域は接合領域２１３である。接合領域２１３は、接合領域２１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域２１３上に形成される層は転位が集中して転位密度が大きくなる。また、下地結晶層２１１の凸部２１１ａの上に形成される層も転位が集中して転位密度が大きくなる。本実施形態において、横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【０１３２】
下地層２１４は、横方向成長層２１２の上の全面に形成されたｎ型の窒化物半導体層である。本実施形態において、下地層２１４は、不純物としてＳｉ（シリコン）をドープしたｎ型のＧａＮで構成した。
【０１３３】
さらに、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、図６に示すように、下地層２１４の上に、ｎ型クラッド層２１５、ｎ型ガイド層２１６、活性層２１７、ｐ型ガイド層２１８、キャリアオーバーフロー抑制層２１９及びｐ型クラッド層２２０が順次積層されている。これらの層は、窒化物半導体からなる積層構造体である。下地層２１４、ｎ型クラッド層２１５、ｎ型ガイド層２１６、活性層２１７、ｐ型ガイド層２１８、キャリアオーバーフロー抑制層２１９及びｐ型クラッド層２２０の各層は、第１の実施形態における、下地層１１４、ｎ型クラッド層１１５、ｎ型ガイド層１１６、活性層１１７、ｐ型ガイド層１１８、キャリアオーバーフロー抑制層１１９及びｐ型クラッド層１２０と同様にして構成することができる。
【０１３４】
ｐ型クラッド層２２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部２２０ａを有し、このリッジ部２２０ａ上には、ｐ型コンタクト層２２２とｐ側電極２２３（第２電極）が形成されている。これにより、ｐ側電極２２３はｐ型コンタクト層２２２と電気的に接続されている。
【０１３５】
また、ｐ型クラッド層２２０のリッジ部２２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜２２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層２１４が露出されており、下地層２１４の上には、ｎ側電極２２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極２２４は、下地層２１４を介してｎ型クラッド層２１５と電気的に接続されている。
【０１３６】
ｐ型コンタクト層２２２及びｐ側電極２２３が形成されているリッジ部２２０ａは活性層２１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極２２３及びリッジ部２２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域２３０である。
【０１３７】
なお、誘電体膜２２１、ｐ型コンタクト層２２２、ｐ側電極２２３及びｎ側電極２２４は、第１の実施形態における、誘電体膜１２１、ｐ型コンタクト層１２２、ｐ側電極１２３及びｎ側電極１２４と同様にして構成することができる。
【０１３８】
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２では、上述のとおり、下地種結晶層２１１の凹部に選択成長用誘電体膜２２５が形成されており、表面が下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面と選択成長用誘電体膜２２５とで構成される下地基板を用いる。これにより、この上に形成される横方向成長層２１２は、下地種結晶層２１１の隣り合う凸部２１１ａの上面から成長した横方向成長層２１２ａ、２１２ｂが接合して形成される。そして、接合領域２１３上に形成される積層構造体には、誘電体膜２２１から接合領域２１３にかけて帯状の転位領域２４１が形成されている。つまり、横方向成長層２１２における接合領域２１３上に成長する層は、接合領域２１３の接合部分２１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【０１３９】
一方、接合領域２１３が形成されていない横方向成長層２１２であって選択成長用誘電体膜２２５上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【０１４０】
また、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上に形成される横方向成長層２１２とその上の下地層２１４にも転位が集中した領域が形成されており、帯状の転位領域２５１が下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上における横方向成長層２１２と下地層２１４に形成されている。
【０１４１】
このように本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、第１の実施形態と同様に、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域２４１が形成される。また、第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、電流注入領域２３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、電流注入領域２３０の近傍領域内の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域２４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係はａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。
【０１４２】
従って、本実施形態に係る半導体レーザ装置２においても、上述した本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１と同様の作用効果を奏する。
【０１４３】
なお、本実施形態では、第１の実施形態と異なり、リッジ部２２０ａの近傍の一方のみに転位領域２４１を形成したが、この限りではない。第１の実施形態と同様に、リッジ部２２０ａの両側に転位領域を配置するように構成してもよい。
【０１４４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２の製造方法について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【０１４５】
まず、図７（ａ）に示すように、基板主面の面方位が（００１）面であるサファイア基板からなる基板２１０の主面上に、膜厚が３．０μｍのＧａＮからなる下地種結晶層２１１を形成する。なお、下地種結晶層２１１の結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法により行った。より具体的には、第１の実施形態と同様に、Ｇａ及びＮの各原料として、それぞれＴＭＧ及びＮＨ3を用いた。また、成長温度は約１０００℃で行った。
【０１４６】
その後、下地種結晶層２１１上に、原料にシラン（ＳｉＨ4）を用いたＴＣＶＤ法により、膜厚が６００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）を成膜する。
【０１４７】
その後、リソグラフィ法及びエッチング法により、酸化シリコンをパターニングすることにより、図７（ｂ）に示すように、ｍ軸に平行でａ軸方向に３μｍの幅を有するストライプ状のマスク膜Ｍ２０を複数形成する。なお、隣接するマスク膜Ｍ２０の間には、ｍ軸に平行でａ軸方向に例えば２〜１０μｍの幅を有するストライプ状の開口部が形成される。すなわち、開口部には、酸化シリコンが形成されておらず、下地種結晶層２１１のＧａＮが露出している。
【０１４８】
次に、図７（ｃ）に示すように、エッチングガスである四フッ化炭素（ＣＦ4）を用いたＩＣＰエッチング装置によりエッチングすることにより、マスク膜Ｍ２０の複数の開口部を通して下地種結晶層２１１に深さが例えば１．８μｍの凹部を複数個形成する。これにより、下地種結晶層２１１に複数の凸部２１１ａを形成することができる。
【０１４９】
その後、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてマスク膜Ｍ２０を除去することにより、図７（ｄ）に示すように、凹凸構造の下地種結晶層２１１が形成された下地基板を形成することができる。なお、下地種結晶層２１１の凹部（凸部）は、ｍ軸方向に延びるストライプ形状である。
【０１５０】
次に、熱ＣＶＤ法によって下地種結晶層２１１の凹凸構造の表面にＳｉＯ2を成膜し、その後、ＳｉＯ2をリソグラフィ法及びエッチング法によってパターニングする。これにより、図７（ｅ）に示すように、下地種結晶層２１１の凹部に埋め込まれるようにして形成されたＳｉＯ2からなる選択成長用誘電体膜２２５を得ることができる。このとき、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上にはＳｉＯ2が形成されておらず、凸部２１１ａの上面は露出している。
【０１５１】
次に、このようにして形成された下地基板を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮの結晶成長を行う。この場合、下地基板をＭＯＣＶＤ装置反応炉に入れ、Ｎ2ガス及びＧａＮ結晶の窒素原料であるアンモニアガス雰囲気中にて１１００℃までの昇温を実施する。その後、III族原料であるＴＭＧを流しＧａＮからなる結晶を成長させる。
【０１５２】
このとき、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの上面は（０００１）面であり、ＧａＮは凸部２１１ａの上面から選択的に結晶成長を開始する。そして、エピ条件である成長速度、Ｖ族流量、Ｖ族原料モル濃度とIII族原料のモル濃度比であるＶ／III比を調整することにより、基板主面方向である（０００１）面方向の成長速度と横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）面方向の成長速度とをコントロールする。これにより、（１１−２０）面方向の成長を促進させ、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接するまで成長させる。これにより、図７（ｆ）に示すように、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が接合して接合部分２１３ａとなり、接合領域２１３を有する横方向成長層２１２を形成することができる。
【０１５３】
次に、成長温度はそのまま維持し、エピ条件である成長速度を大きくし、Ｖ族流量を小さくし、Ｖ族原料モル濃度とIII族原料のモル濃度比であるＶ／III比を低下させて調整することにより、基板主面方向である（０００１）面方向にＧａＮの成長が促進する条件に変更する。そして、III族原料であるＴＭＧとｎ型ドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図７（ｇ）に示すように、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層２１４を結晶成長させる。
【０１５４】
この場合、下地層２１４には、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上と、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂが接合する接合領域２１３の直上とにおいて、転位が集中する。当該転位の方向は、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上面及び接合領域２１３の上面に垂直な方向となる。このように、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ上及び接合領域２１３上には、高い転位密度である領域が形成される。一方、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａ及び接合領域２１３以外の横方向成長層２１２上には、低転位化された領域が形成される。なお、下地層２１４は、基板２１０上の全面に形成される。
【０１５５】
次に、図７（ｈ）に示すように、下地層２１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０１５６】
具体的には、下地層２１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層２１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層２１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層２１６上に、膜厚が７．５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層２１７を成長する。
【０１５７】
次に、活性層２１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層２１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層２１９を成長し、その後、膜厚が１．５ｎｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５ｎｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層２２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２２を成長する。
【０１５８】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０１５９】
次に、同７（ｈ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層２２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ２１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、横方向成長層２１２の接合部分２１３ａから横方向に向かって約５μｍ以内の範囲で、かつ接合領域２１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０１６０】
このように、転位が集中した領域を含む下地層２１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層２１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０１６１】
次に、図７（ｉ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層２２０の上部を０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部２２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ２１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層２２０の上に、リッジ部２２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜２２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部２２０ａの上面にある誘電体膜２２１に対して、リッジ部２２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして、リッジ部２２０ａ上の誘電体膜２２１をエッチング除去し、リッジ部２２０ａの上面からｐ型コンタクト層２２２を露出する。
【０１６２】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部２２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層２２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図７（ｉ）に示すように、ｐ側電極２２３をパターン形成する。
【０１６３】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部２２０ａの上部のｐ側電極２２３を覆うように、且つ誘電体膜２２１の上に、リッジ部２２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極は、それぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっているとチップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０１６４】
次に、ｎ側電極２２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部２２０ａの近傍で且つリッジ部２２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層２１４を露出させる。その後、下地層２１４上にｎ側電極２２４を作成する。なお、ｎ型ｎ側電極２２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０１６５】
その後、パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜２２１を除去する。次に、基板２１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板２１０を薄膜化する。次に、ｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０１６６】
以上により、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２を製造することができる。
【０１６７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２の実施例について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、基板２１０上に下地種結晶層２１１及び選択成長用誘電体膜２２５を形成し、その上に横方向成長層２１２と下地層２１４とを形成した下地基板をｍ軸方向から観察した断面ＴＥＭ像である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の下地基板を上面から観察したカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。なお、本実施例では、図７で説明した方法によって、基板２１０上に膜厚が１μｍの下地層２１４を形成した。
【０１６８】
図８（ａ）に示すように、下地種結晶層２１１の転位の向きは、（０００１）面方向に向いて伸びていることが分かる。これに対して、横方向成長層２１２は横方向に成長し、下地種結晶層２１１の凸部側面との界面における転位は全て横方向（基板主面に対して平行な方向）である（１１−２０）方向に曲げられていることが分かる。
【０１６９】
さらに、同図８（ａ）に示すように、下地層２１４における転位は、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上に集中していることが分かる。また、横方向成長層２１２の直上部分における下地層２１４の転位は、低転位化された領域となっていることが分かる。
【０１７０】
また、図８（ｂ）に示すように、下地種結晶層２１１の凸部２１１ａの直上領域２１１ｂと、隣り合う横方向成長層２１２ａ、２１２ｂ同士が合体した接合領域２１３とには、転位が帯状に集中して暗点として点在し、転位が制御されていることが分かる。また、下地種結晶層２１１における凸部２１１ａの直上領域２１１ｂと接合領域２１３との間の領域は転位が集中しておらず、低転位化された領域が形成されていることが分かる。
【０１７１】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０１７２】
以上、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０１７３】
なお、図８（ａ）において、横方向成長層２１２ａ、２１２ｂと選択成長用誘電体膜２２５との間に空隙が開いているが、この空隙は、下地種結晶層２１１の厚みを薄くしたり、横方向結晶層２１２ａ、２１２ｂの結晶成長条件を調整したりすることによって、無視できる程度まで小さく、もしくは無くすことが可能である。
【０１７４】
なお、本実施形態において、基板２１０としてはサファイア基板を用いたが、これに限らない。例えば、低コストなＳｉＣ基板やＳｉ基板であっても同様のプロセスで同様の効果を奏する半導体レーザ装置を製造することができ、これらの基板を用いることにより更なる大面積化による低コスト化が可能である。
【０１７５】
また、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、活性層１１７の井戸層を、Ｉｎ組成が１０％〜２０％もしくはそれ以上の組成であるＩｎＧａＮ層としたり、ｎ型ガイド層１１６及び／又はｐ型ガイド層１１８を、ｎ型またはｐ型のＩｎＧａＮ層としたりして、ディスプレイ用の半導体レーザ装置に適する構成としても構わない。
【０１７６】
また、下地層１１４としては、ｎ型のＧａＮ以外にも、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮもしくはＡｌＮ/ＧａＮ超格子成長層を用いてもよい。
【０１７７】
また、本実施形態においては、キャリアオーバーフロー抑制層１１９は、ｐ型ガイド層１１８の上に形成されるとしたが、活性層１１７の上にキャリアオーバーフロー抑制層を形成し、さらにその上にｐ型ガイド層を形成するという構成にしてもよい。
【０１７８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【０１７９】
本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３は、第１の実施形態と同様に、自励発振型の半導体レーザ装置である。本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３と本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１とが異なる点は、下地基板の構造である。また、本実施形態では、活性層やクラッド層などの積層体を、窒化物半導体の半極性面である（１−１０１）面に積層させることを特徴としている。なお、積層体や電極等の構成及び製造プロセスにおける作製条件については、第１の実施形態又は第２の実施形態とは若干異なるが、基本的には同様である。
【０１８０】
図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３は、断面形状が三角形の複数の凸部３１０ａを有する凹凸部が形成され、表面の結晶面が（１００）からおよそ７度傾いた結晶面を有するＳｉからなる基板３１０と、基板３１０の複数の凸部３１０ａの各々について当該凸部３１０ａの一方の側面に形成された下地種結晶層３１１と、複数の凸部３１０ａの各々について当該凸部３１０ａの他方の側面に形成された選択成長用膜である選択成長用誘電体膜３２５とを備える。凸部３１０ａの側面は、Ｓｉの（１１１）面からなり、傾斜角度は、水平方向に対して、一方が約６２度、他方は約４８度となる。傾斜角度が約６２度である側面には下地種結晶層３１１が形成され、傾斜角度が約４８度の側面には選択成長用誘電体膜３２５が形成される。なお、下地種結晶層３１１は、例えば、ＡｌＮ膜で構成することができる。また、選択成長用誘電体膜３２５は、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等で構成することができる。
【０１８１】
さらに、基板３１０の隣り合う凸部３１０ａ間（凹部）を埋めるようにして、下地種結晶層３１１の表面上に下地ＧａＮ成長層３１２が形成されている。下地ＧａＮ成長層３１２の上には、ＧａＮからなるｎ型の下地層３１４が形成されており、下地層３１４の上に、ｎ型クラッド層３１５、ｎ型ガイド層３１６、活性層３１７、ｐ型ガイド層３１８、キャリアオーバーフロー抑制層３１９、ｐ型クラッド層３２０が順次積層されている。
【０１８２】
なお、このとき、下地ＧａＮ成長層３１２の（１−１０１）面は、Ｓｉの（１１１）面より結晶成長を行う（１０００）面に対して、約６２度の角度を有しているため、上記の下地ＧａＮ成長層３１２の表面は水平面となる。このため、この下地ＧａＮ成長層３１２の上部に形成される積層体は基板板３１０の主面に対して垂直方向に積層されるため、後述の電極等を形成するプロセスを容易に行うことができる。
【０１８３】
ｐ型クラッド層３２０は、上面視ストライプ形状で断面凸形状のリッジ部３２０ａを有し、このリッジ部３２０ａ上には、ｐ型コンタクト層３２２、ｐ側電極３２３（第２電極）が形成されている。これにより、ｐ側電極３２３はｐ型コンタクト層３２２と電気的に接続されている。
【０１８４】
また、ｐ型クラッド層３２０のリッジ部３２０ａが形成されていない領域上には誘電体膜３２１が形成されている。また、積層構造体が除去された開口部には下地層３１４が露出されており、下地層３１４の上には、ｎ側電極３２４（第１電極）が形成されている。ｎ側電極３２４は、下地層３１４を介してｎ型クラッド層３１５と電気的に接続されている。
【０１８５】
ｐ型コンタクト層３２２及びｐ側電極３２３が形成されているリッジ部３２０ａは活性層３１７に電流を注入するための領域であり、ｐ側電極３２３及びリッジ部３２０ａの下方領域とその周辺領域は電流注入領域３３０である。
【０１８６】
本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３では、上述のとおり、基板３１０の凸部３１０ａの一方の側面には下地種結晶層３１１が形成され、他方の側面には選択成長用誘電体膜３２５が形成されている。これにより、この上に形成される下地ＧａＮ成長層３１２は、下地種結晶層３１１から成長を開始し、図９の矢印で示す方向に向かって成長する。そして、隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２同士が接合して接合部分３１３ａとなり、接合領域３１３が形成される。このとき、凸部側面と下地種結晶層３１１との界面より発生する転位は直線的に延びず、一方（凹部底部付近で発生した転位）は選択成長用誘電体膜３２５へ曲がり、選択成長用誘電体膜３２５表面に到達する。もう一方（凹部表面付近で発生した転位）は表面へと曲がり、接合領域３１３及び下地種結晶層３１１上に形成される積層構造体には、誘電体膜３２１から接合領域３１３及び下地種結晶層３１１にかけて、帯状の転位領域３４１が形成される。つまり、下地ＧａＮ成長層３１２における接合部分３１３ａ付近に成長する層は、接合領域３１３の接合部分３１３ａによって転位が集中するようにして形成される。
【０１８７】
一方、接合領域３１３が形成されていない選択成長用誘電体膜３２５上の下地ＧａＮ成長層３１２上に成長する層は転位が集中せずに形成され、この部分の上には低転位化された領域が形成される。
【０１８８】
このように、本実施形態において、下地ＧａＮ成長層３１２は、隣り合う凸部３１０ａの下地種結晶層３１１のそれぞれから成長した隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２同士が接合して一体化して形成される。そして、下地ＧａＮ成長層３１２における接合領域３１３は、接合領域３１３上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域として機能し、接合領域３１３上に形成される層の転位密度は大きくなる。下地ＧａＮ成長層３１２は、下地種結晶層３１１及び選択成長用誘電体膜３２５とともに、転位集中可領域を有する転位制御層として機能する。
【０１８９】
このように本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、第１及び第２の実施形態と同様に、転位密度が他の部分よりも大きい帯状の転位領域３４１が形成される。また、第１及び第２の実施形態と同様に、本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、電流注入領域３３０内の転位密度、特に、活性層注入領域における転位密度を第１の転位密度ａとし、電流注入領域３３０の近傍領域の転位密度、特に、活性層非電流注入領域における帯状の転位領域３４１の転位密度を第２の転位密度ｂとすると、第１の転位密度ａと第２の転位密度ｂの関係はａ＜ｂとなっており、第２の転位密度は第１の転位密度よりも大きい関係としている。
【０１９０】
従って、本実施形態に係る半導体レーザ装置３においても、上述した本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体レーザ装置１、２と同様の作用効果を奏する。
【０１９１】
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法における各工程の断面図である。
【０１９２】
まず、基板３１０として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜の絶縁膜を有するＳｉ（１００）７°オフ基板を用意し、この基板３１０に対して、フォトリソグラフィー法やドライエッチングを用いて、ストライプ状の開口を有する上記絶縁膜からなるマスクを作製する。
【０１９３】
次に、マスクが形成されたＳｉ（１００）７°オフ基板を、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を用いたウェットエッチングを施すことにより、マスクの開口部に断面三角形の複数の凹部を形成する。これにより、図１０（ａ）に示すように、基板３１０に断面三角形の凸部３１０ａを複数個形成することができる。このとき、各凸部３１０ａの側面は傾斜した面となり、当該側面はシリコンの（１１１）ファセット面となる。
【０１９４】
次に、図１０（ｂ）に示すように、スパッタリング法や真空蒸着法により、凸部３１０ａの傾斜したシリコンの（１１１）ファセット面のうち一方を、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなる選択成長用誘電体膜３２５で覆う。
【０１９５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、凸部３１０ａの側面のうち、選択成長用誘電体膜３２５で覆われていない方の側面上に、ＡｌＮ膜からなる下地種結晶層３１１を形成する。
【０１９６】
その後、選択成長用誘電体膜３２５及び下地種結晶層３１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮからなる窒化物半導体結晶を成長すると、下地種結晶層３１１上にのみ窒化物半導体結晶が成長し始め、図１０（ｄ）の矢印で示す方向に成長する。このとき、窒化物半導体結晶の成長方向に、窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面の下地ＧａＮ成長層３１２が現れる。
【０１９７】
その後、さらに結晶成長を継続すると、一の凸部３１０ａの下地種結晶層３１１から成長した窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面は、その隣りの他の凸部３１０ａの下地種結晶層３１１から成長した窒化物半導体と接合し、図１０（ｄ）に示すように、連続膜の状態になった窒化物半導体の（１−１０１）面となる。
【０１９８】
次に、このようにして得られた下地ＧａＮ成長層３１２上に、III族原料であるＴＭＧとｎ型ドーピング材料であるモノシラン（ＳｉＨ4）を導入し、図１０（ｅ）に示すように、膜厚が２μｍのｎ−ＧａＮからなるｎ型の下地層３１４を結晶成長させる。この場合、種結晶となった凸部３１０ａの直上及び隣り合う下地ＧａＮ成長層３１２が接合する接合領域３１３直上において転位が集中する。このように、接合部分３１３ａを含む接合領域３１３上には、高い転位密度である領域が形成され、一方、接合領域３１３以外の下地ＧａＮ成長層３１２上には、低転位化された領域が形成される。なお、下地層３１４は、基板３１０上の全面に形成される。
【０１９９】
次に、図１０（ｆ）に示すように、下地層３１４上に、窒化物半導体層からなる積層構造体の各層をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長を行うことにより積層構造体を形成する。
【０２００】
具体的には、下地層３１４上に、膜厚が１．５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層３１５を成長し、その後、膜厚が０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層３１６を成長する。その後、ｎ型ガイド層３１６上に、膜厚が７．５μｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と膜厚が３ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる井戸層とからなる量子井戸構造を５周期分積層した活性層３１７を成長する。
【０２０１】
次に、活性層３１７上に、膜厚が０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層３１８を成長する。その後、膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるキャリアオーバーフロー抑制層３１９を成長し、その後、膜厚が１．５μｍのｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎと膜厚が１．５μｍのｐ型ＧａＮとを１６０周期分繰り返して積層し、歪超格子構造であるｐ型クラッド層３２０を成長する。その後、膜厚が０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３２２を成長する。
【０２０２】
なお、上記のＭＯＣＶＤ法を用いた場合のIII族原料としては、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウムを用いた。また、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）を用いた。また、ｎ型の不純物原料としてはＳｉを用い、その原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用い、ｐ型の不純物原料としてはＭｇを用い、その原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【０２０３】
次に、同１０（ｆ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層３２２の上に、膜厚が０．３μｍで幅が１．５μｍのｍ軸方向に平行なストライプ形状の酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるマスクＭ３１を選択的に形成する。当該酸化シリコンを形成する位置は、下地ＧａＮ成長層３１２の接合部分３１３ａから横方向に向かって約５μｍ以内の範囲で、かつ接合領域３１３の直上には位置しないようにｍ軸方向に形成する。
【０２０４】
このように、転位が集中した領域を含む下地層３１４上に形成される層は、その下の層の結晶性を継承することになるので、下地層３１４の転位が集中した領域上の部分は転位が集中した領域となり、積層構造体に帯状の転位領域が形成される。
【０２０５】
次に、図１０（ｇ）に示すように、ＩＣＰ法により上記酸化シリコンをマスクとして、ｐ型クラッド層３２０の上部を０．３５μｍの深さでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ部３２０ａを形成する。その後、フッ化水素酸を用いて酸化シリコンのマスクＭ３１を除去し、再度熱ＣＶＤ法にて露出したｐ型クラッド層３２０の上に、リッジ部３２０ａを含む全面に亘り、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2からなる誘電体膜３２１を形成する。次に、リソグラフィ法によりリッジ部３２０ａの上面にある誘電体膜３２１に対して、リッジ部３２０ａのストライプ形状に沿って幅が１．３μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。その後、三フッ化メタン（ＣＨＦ3）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとして、リッジ部３２０ａ上の誘電体膜３２１をエッチング除去し、リッジ部３２０ａの上面からｐ型コンタクト層３２２を露出する。
【０２０６】
次に、蒸着法により少なくともリッジ部３２０ａの上面から露出したｐ型コンタクト層３２２の上に、厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなる金属積層膜を形成する。その後、リフトオフ法によりレジストパターンを除去し、同図１０（ｇ）に示すように、ｐ側電極３２３をパターン形成する。
【０２０７】
次に、リソグラフィ法とリフトオフ法により、リッジ部３２０ａの上部のｐ側電極３２３を覆うように、且つ誘電体膜３２１の上に、リッジ部３２０ａのストライプ方向と平行方向に幅が１５０μｍの配線電極を選択的に形成する。配線電極はそれぞれの厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層金属膜により形成する。その後、電解メッキ法によりＡｕ層の膜厚を１０μｍ程度にまで増やしパッド電極を形成する。その後、隣同士のチップを分離するが、この際、パッド電極が隣接チップと連続して繋がっていると、チップを分離した際に電極剥れが生じるので、パッド電極はチップごとに分離しておくことが好ましい。
【０２０８】
次に、ｎ側電極３２４の形成を行う。まず、パッド電極を形成した領域において熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2からなるマスクを形成する。その後、リッジ部３２０ａの近傍で且つリッジ部３２０ａのストライプ方向に平行に、さらには、パッド電極のない領域において、開口部を有するレジストをリソグラフィ法とリフトオフ法により作製する。その後、ＩＣＰ法により開口部における積層構造体を上部より約２．５μｍの深さまでエッチングを行って下地層３１４を露出させる。その後、下地層３１４上にｎ側電極３２４を作成する。なお、ｎ側電極３２４は、それぞれの厚さが５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜及びパターニングすることにより作製する。
【０２０９】
その後パッド電極上部のレジスト及び誘電体膜３２１を除去する。次に、基板３１０の裏面を研磨し、厚さが１００μｍ程度になるまで基板３１０を薄膜化する。次に、積層体の窒化物半導体材料の結晶軸に関してｍ軸方向の長さが４００μｍになるように、ｍ面方向に沿って基板の１次劈開を行う。このとき、積層体のｍ面方向は基板３１０の（１００）面であるので、容易に積層体と基板３１０を劈開により分離することができる。その後、１次劈開された上記基板をａ軸方向の長さが２００μｍとなるようにａ面方向に沿って２次劈開してチップに分離する。
【０２１０】
以上により、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３を製造することができる。
【０２１１】
このように、本実施形態に係る転位制御技術を用いることにより、転位を帯状に集中させたり、低転位化領域を形成したり、転位の配置を自由に制御することができる。
【０２１２】
以上、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置３によれば、光導波路内において電流拡散長と光分布の違いを利用し、転位を所望に配置することにより、可飽和吸収量を増大させることができる。そして、帯状の転位領域を光導波路内で、かつ、電流拡散しない領域に配置することにより、容易に光吸収量のみを増大することができ、安定した自励発振動作をする自励発振型の半導体レーザ装置を実現することができる。この結果、戻り光ノイズ低減やスペックルノイズの低減を実現することができる。また、従来使用していた高価なＧａＮ基板ではなく低コストで大面積であるサファイア基板を用いることで、半導体レーザ装置の低コスト化が可能である。
【０２１３】
なお、本実施形態では、基板３１０としてはＳｉ基板を用いたが、これに限らない。
次に、本発明の各実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例、特に好適な例について説明する。
【０２１４】
まず、各実施形態において、転位が集中した帯状の転位領域（第２転位領域）は、電流注入領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在することが好ましい。
【０２１５】
これにより、電流非注入領域に染み出した導波光を効率よく吸収することができ、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２１６】
また、各実施形態において、転位が集中した帯状の転位領域の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【０２１７】
これにより、可飽和吸収領域内における光吸収量を増大させることができるので、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２１８】
また、各実施形態においては活性層の材料は、各実施形態にものに限定されるものではないが、活性層はインジウムを含むことが好ましい。
【０２１９】
これにより、紫外領域から可視領域までの発光波長を実現することができるので、用途に合わせて自由に発光波長を変えることができる。さらに、Ｉｎを含む窒化物材料はＩｎの偏析が非常にしやすい材料であることから、Ｉｎの偏析部分はバンドギャップエネルギーが小さくなり、可飽和吸収領域内の導波光の光を効率的に光吸収させることが可能となる。これにより、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２０】
また、第１及び第２の実施形態において、横方向成長層１１２、１１３は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましい。
【０２２１】
これにより、光導波路領域内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能であり、導波路損失を低減することで閾値電流密度の低減が可能となる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２２】
また、各実施形態において、下地層は、その一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなることが好ましい。
【０２２３】
これにより、平均的な屈折率を低減することができ、光導波路内の縦方向の光閉じ込め（Γｖ）を大きくすることが可能となる。従って、導波路損失を低減することができ、閾値電流密度の低減が可能となる。よって、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２４】
また、各実施形態において、積層構造体における半導体層の主面は、半極性又は無極性であることが好ましい。
【０２２５】
これにより、積層構造体におけるピエゾ効果を低減することができるので、電子と正孔との空間的な離間を解消することができる。従って、光吸収により生じたキャリアの消滅時間が早くなり、光吸収が可能になるまでの時間を短くすることができ、単位時間当たりの光吸収量を増大させることができる。従って、より安定した自励発振動作をする半導体レーザ装置を実現することができる。
【０２２６】
以上、本発明に係る半導体レーザ装置について、各実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２２７】
本発明は、光ディスク用、ディスプレイ用又は照明用の光源等として有用である。
【符号の説明】
【０２２８】
１、２、３ 半導体レーザ装置
１１０、２１０、３１０ 基板
１１１、２１１ 下地種結晶層
１１１ａ、２１１ａ、３１０ａ 凸部
１１１ｂ、２１１ｂ 直上領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ 横方向成長層
１１３、２１３、３１３ 接合領域
１１３ａ、２１３ａ、３１３ａ 接合部分
１１４、２１４、３１４ 下地層
１１５、２１５、３１５ ｎ型クラッド層
１１６、２１６、３１６ ｎ型ガイド層
１１７、２１７、３１７ 活性層
１１８、２１８、３１８ ｐ型ガイド層
１１９、２１９、３１９ キャリアオーバーフロー抑制層
１２０、２２０、３２０ ｐ型クラッド層
１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ リッジ部
１２１、２２１、３２１ 誘電体膜
１２２、２２２、３２２ ｐ型コンタクト層
１２３、２２３、３２３ ｐ側電極
１２４、２２４、３２４ ｎ側電極
１３０、２３０、３３０ 電流注入領域
１４０、１５０ 近傍領域
１４１、１５１、２４１、２５１、３４１ 転位領域
１６０ 光導波路領域
１７０ 電流分布
２２５、３２５ 選択成長用誘電体膜
３１１ 下地種結晶層
３１２ 下地ＧａＮ成長層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自励発振動作をする半導体レーザ装置であって、
基板と、
当該基板の上に形成された第１導電型の下地層と、
当該下地層の上に順次形成された、第１導電型のクラッド層、第１導電型のガイド層、活性層、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、
前記第１導電型のクラッド層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２導電型のコンタクト層に電気的に接続された第２電極とを備え、
前記積層構造体は、前記第２電極の下方に領域であって第１の転位密度の領域である第１転位領域と、前記第１の転位密度とは異なる第２の転位密度の領域である第２転位領域とを含み、
前記第２の転位密度が、前記第１の転位密度よりも大きくなるように構成される
半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記積層構造体における光導波路領域は、前記第２電極から注入された電流が前記活性層に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、当該活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含み、
前記活性層電流注入領域は、前記第１転位領域を含み、
前記活性層電流非注入領域は、前記第２転位領域を含む
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第２転位領域は、前記光導波路領域内に１箇所のみ存在する
請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第２転位領域は、前記第１転位領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記活性層が、インジウムを含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記基板と前記下地層との間に転位制御層を備え、
前記転位制御層は、当該転位制御層の上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域を有する
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記転位制御層は、窒化物半導体が前記基板の主面に対して平行な方向に成長された横方向成長層を有する
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記横方向成長層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる
請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、向かい合う前記凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、前記複数の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記基板に複数の凸部が形成されており、
前記転位制御層は、前記複数の凸部の各々について前記凸部の一方の側面に形成された下地種結晶層と、前記複数の凸部の各々について前記凸部の他方の側面に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、複数の前記下地種結晶層のうちの一の下地種結晶層から成長した第１成長層と、前記一の下地種結晶膜とは異なる他の下地種結晶層から成長した第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記下地層の一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなる
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記基板が、サファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板である
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記積層構造体の主面が、半極性又は無極性である
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１】
自励発振動作をする半導体レーザ装置であって、
基板と、
当該基板の上に形成された第１導電型の下地層と、
当該下地層の上に順次形成された、第１導電型のクラッド層、第１導電型のガイド層、活性層、第１導電型とは異なる導電型である第２導電型のガイド層、第２導電型のクラッド層及び第２導電型のコンタクト層によって構成された窒化物半導体からなる積層構造体と、
前記第１導電型のクラッド層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２導電型のコンタクト層に電気的に接続された第２電極とを備え、
前記積層構造体は、前記第２電極の下方に領域であって第１の転位密度の領域である第１転位領域と、前記第１の転位密度とは異なる第２の転位密度の領域である第２転位領域とを含み、
前記第２の転位密度が、前記第１の転位密度よりも大きくなるように構成される
半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記積層構造体における光導波路領域は、前記第２電極から注入された電流が前記活性層に流れ込む領域である活性層電流注入領域と、当該活性層電流注入領域とは異なる領域である活性層電流非注入領域とを含み、
前記活性層電流注入領域は、前記第１転位領域を含み、
前記活性層電流非注入領域は、前記第２転位領域を含む
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第２転位領域は、前記光導波路領域内に１箇所のみ存在する
請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第２転位領域は、前記第１転位領域の中心から５μｍ以内の範囲に存在する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２の転位密度は、１×１０7／ｃｍ2以上である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記活性層が、インジウムを含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記基板と前記下地層との間に転位制御層を備え、
前記転位制御層は、当該転位制御層の上に形成される層の転位を集中させることができる転位集中可領域を有する
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記転位制御層は、窒化物半導体が前記基板の主面に対して平行な方向に成長された横方向成長層を有する
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記横方向成長層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる
請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、向かい合う前記凸部の側面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記転位制御層は、複数の凸部を有する下地種結晶層と、前記複数の凸部の凸部間に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、前記複数の凸部の上面から成長した第１成長層と第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記基板に複数の凸部が形成されており、
前記転位制御層は、前記複数の凸部の各々について前記凸部の一方の側面に形成された下地種結晶層と、前記複数の凸部の各々について前記凸部の他方の側面に形成された選択成長用膜と、前記下地種結晶層と前記選択成長用膜との上に形成された成長層とを備え、
前記成長層は、複数の前記下地種結晶層のうちの一の下地種結晶層から成長した第１成長層と、前記一の下地種結晶膜とは異なる他の下地種結晶層から成長した第２成長層とが接合して形成され、
前記転位集中可領域は、前記第１成長層と前記第２成長層とが接合する領域である
請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記下地層の一部もしくは全部が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）とＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｘ≠ｙ）との積層構造からなる
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記基板が、サファイア基板、Ｓｉ基板又はＳｉＣ基板である
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記積層構造体の主面が、半極性又は無極性である
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９１６５（Ｐ２０１２−１９１６５Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７２７７（Ｐ２０１０−１５７２７７）
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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