窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子
【課題】青紫色の短波長の光を発することができ、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に隙間が生じ難く、劣化の少ないＧａＮ系化合物半導体レーザ素子を提供すること。
【解決手段】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子１０は、基板１１上に作製された光出射側端面に端面コート膜２７を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子１０であって、前記光出射側端面２６において、前記端面コート膜２７と導波路端面２４との間にガリウム酸化物層２８からなる被膜を有し、前記導波路端面２４以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子１０は、基板１１上に作製された光出射側端面に端面コート膜２７を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子１０であって、前記光出射側端面２６において、前記端面コート膜２７と導波路端面２４との間にガリウム酸化物層２８からなる被膜を有し、前記導波路端面２４以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウムＧａＮ系化合物半導体レーザ素子に関し、特に青紫色の短波長の光を発することができ、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に隙間が生じ難く、劣化の少ないＧａＮ系化合物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青色ＬＥＤや青紫色半導体レーザにはIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体、特にＧａＮ系の化合物半導体が用いられている。このIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体は、欠陥の少ないＧａＮ基板等のIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体基板を得ることが困難であるため、通常サファイア基板又はＳｉＣ基板の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシャル成長）法、または、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの結晶成長法を用いて成長させている。
【０００３】
従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の一具体例を図４に示す。なお、図４は、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０の模式的な断面図である。このＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０は、サファイア基板５１上にバッファ層５２、アンドープＧａＮ層５３、ｎ−ＧａＮコンタクト層５４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５、ｎ−ＧａＮ光ガイド層５６、活性層５７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８が順に形成されている。ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８の所定幅の領域上にリッジ状にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９が形成されており、このリッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の側面に電流狭窄層６０が形成されている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の上面及び電流狭窄層６０上にｐ−ＧａＮコンタクト層６１が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層６１からｎ−ＧａＮコンタクト層５４までの一部領域が除去されてｎ−ＧａＮコンタクト層５４が露出し、メサ形状が形成されている。露出したｎ−ＧａＮコンタクト層５４の所定領域上にｎ側電極６２が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１の所定領域上にｐ側電極６３が形成されている。
【０００４】
このような従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０においては、活性層５７で生成された光が共振器の両端面で反射することによりレーザ発振するが、光出射側の共振器端面から出射されるレーザ光は、ｎ−ＧａＮ光ガイド層５６、活性層５７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９によって挟まれた導波路構造によって垂直方向の光閉じ込めが行われ、また、リッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の凸部と平坦部とが交差する部分（凸部の下端部）によって水平方向の光閉じ込めが行われてスポット形状（光強度分布）が制御されている。そして、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子においては、この導波路構造の端面を含む端面全体が鏡面になるように、一般的には劈開法によって作製されている（下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９０６３５号公報（特許請求の範囲、段落［０００２］〜［００１９］、［００５９］〜［００６９］、図１〜図３、図１９〜図２０）
【特許文献２】特開２００５−２８６２１３号公報（段落［００５４］〜［００６０］、図２２〜図２７）
【特許文献３】特開２００６−４９５４０号公報（段落［０００６］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザ素子には、レーザ光導波路構造の両端面（前面及び後面）における反射率制御及び酸化防止のために端面コート膜が設けられる（上記特許文献２及び３参照）。しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子では、従来の半導体レーザ素子に比べてその発振波長が約４５０ｎｍ以下と短く、高エネルギーかつ高密度な光を放出するため、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の光出射端面において光化学反応が進行し、光出射端面のＧａＮ系結晶表面にＧａの酸化膜が生成されてしまう。その結果、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に機械的ストレスが発生し、最終的には両者の間に間隙が生じて、レーザ発振が停止してしまうという致命的な劣化現象に至る問題点があった。
【０００６】
発明者等は、このようなＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の光出射端面におけるＧａ酸化物層からなる被膜の形成過程を種々検討した結果、Ｇａ酸化物層からなる被膜の形成は避けることができないが、Ｇａ酸化物層からなる被膜はＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の使用初期に徐々に生成してもその後は成長が止まるため、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の導波面の形成領域を除くＧａＮ系結晶の端面に所定の数値範囲の凹凸形状を設けて端面コート膜とＧａＮ系結晶との間の付着強度を増大させることにより、上述のような端面コート膜とＧａＮ系結晶の間に間隙が生じることを防止でき、その結果としてレーザ発振が停止してしまうという致命的な問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００７】
なお、上記引用文献１には、ｎ−ＧａＮ基板上にバッファ層を介して設けられた六方晶窒化物系半導体の積層体を有する窒化物半導体レーザ素子において、ｎ−ＧａＮ基板及び積層体の各側面がともに略同一面上に露出するように劈開させて形成されたミラー端面を有し、このミラー端面においてｎ−ＧａＮ基板が露出する部分の凹凸の平均値を１〜１０ｎｍ、六方晶窒化物系半導体の積層体の露出する部分の凹凸の平均値を０．１ｎｍ以下（段落［００６９］参照）となすことにより、窒化物半導体レーザ素子の基板漏洩モードを抑制することに関する記載があるが、上述のような端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に生じる問題点を示唆する記載はない。
【０００８】
そこで、本発明は、青紫色の短波長の光を発することができ、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に隙間が生じ難く、劣化の少ないＧａＮ系化合物半導体レーザ素子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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子は、基板上に作製された光出射端面に端面コート膜を有するＧａＮ系化合物半導体レーザ素子であって、前記光出射端面において、前記端面コート膜と導波路端面との間にＧａ酸化物層からなる被膜を有し、前記導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記端面コート膜は前記光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記基板の表面にバッファ層を有していないことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記基板はサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化ガリウム基板から選択された１種であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上記のような構成を備えることにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、光出射端面において、導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されているので、端面コート膜のＧａＮ系結晶への付着力が増加する。その結果、たとえ光化学反応により端面コート膜とＧａＮ系結晶の間にＧａ酸化物層からなる被膜が形成されて端面コート膜とＧａＮ系結晶の間に機械的ストレスが発生しても、間隙が生じることがなく、レーザ発振が停止してしまうという致命的な劣化を避けることができるようになる。
【００１４】
またＧａＮ系化合物半導体レーザ素子を駆動させながら所定時間が経過すると、Ｇａ酸化物層からなる被膜を形成する光化学反応が停止するので、それ以上端面コート膜とＧａＮ系結晶との間の機械的ストレスが増加することはなくなり、その結果、光出射端面の状況は安定し、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の使用上問題ないレベルの長期信頼性特性が得られる。
【００１５】
なお、凹凸の高さが０．０５μｍ未満では、端面コート膜の光出射端面への付着力が充分に強くならないので、端面コート膜とＧａＮ結晶の界面にＧａ酸化物層からなる被膜が形成されると端面コート膜が光出射端面から分離してしまい、凹凸を設けたことによる効果が表れなくなる。また、凹凸の高さが４０μｍ以上になると、端面コート膜の付着力としては充分であるが、この凹凸の存在がレーザ素子の共振器長ズレなどの特性不良原因となるので、避けるべきである。ゆえに凹凸の高さについては０．０５〜４０μｍの範囲がよい。なお、この発明の凹凸の高さ０．０５〜４０μｍの範囲という数値は、上記特許文献１に開示されているｎ−ＧａＮ基板が露出する部分の凹凸の平均値１〜１０ｎｍよりも大幅に大きな数値である。
【００１６】
なお、凹凸の高さについて、０．０５〜４０μｍにするためには、劈開時の切り込みの長短と凹凸の高さの関係を実験的に求めることにより、容易に所定値内に納めることができる。
【００１７】
なお、本発明では、光反射側端面においても、光出射側端面と同じく導波路端面以外の端面の表面には、０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成される。光反射側端面においても、光出射側端面と同じ作用でガリウム酸化物層が形成され、端面コート膜と結晶の間に間隙が生じると、特性劣化に至る（この場合は必ずしも発振停止にはならない）が、上記凹凸があるために、光出射側端面と同じ作用で特性劣化が防止される。
【００１８】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子で使用し得る端面コート膜としては、従来から使用されているＳｉＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＡｌＮ膜、ＴｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、アモルファスシリコン膜等を単独であるいは適宜組み合わせて複層膜として使用し得る。
【００１９】
この端面コート膜として、光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造とすると、特に長期駆動時には他の構成の端面膜を用いた場合よりも安定的に動作する。
【００２０】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、前記基板の表面にバッファ層を有していなくても所期の効果を達成することができるので、従来例に比すると製造工数を減らすことができるようになる。
【００２１】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、基板としてサファイア基板又はＳｉＣ基板上に形成されたＧａＮ系結晶を有するものや、ＧａＮ系結晶自体を適宜選択して使用し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて詳細に説明するが、以下に述べた実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのＧａＮ系化合物半導体レーザ素子を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
【００２３】
なお、図１は実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の素子構造を示す模式的断面図であり、図２は実施例において製造したＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の光出射面側の正面図であり、図３は図２のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の導波路端面部分の縦断面図である。
【実施例】
【００２４】
実施例においては、ＧａＮ基板１１を用いて図１に示したような素子構造のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０を作成した。まず、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）法により、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、ＧｅＨ４を用い、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２を成長速度３．０Å／秒で１．０μｍ成長させた。
【００２５】
その後、温度を下降させ、３周期構造ＭＱＷ活性層１３のうちＩｎＧａＮ井戸層を、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用い、成長速度は１．０Å／秒で０．００３μｍ成長させた。次に、３周期構造ＭＱＷ活性層１３のうちＧａＮ障壁層を、原料にＮＨ３、トリメチルガリウムを用い、成長速度は１．０Å／秒で０．０２μｍ成長させた。次に、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用いＩｎＧａＮ光ガイド層１４を０．１μｍ成長させた。
【００２６】
次いで、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムを用い、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５を０．０２μｍ成長させた。その後、温度を上昇させ、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウムを用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６を成長速度３．０Å／ｓｅｃで０．５μｍ成長させた。最後に、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムを用い、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を０．００５μｍ成長させた。
【００２７】
次に、電極プロセスを以下の手順で行った。まず、Ｐｔ／Ｐｄからなるｐ側電極１８を形成し、次にドライエッチングにより、電流狭窄部分であるリッジ１９を形成した。次に、ＣＶＤ法によってリッジ両側にＳｉＯ２膜２１を形成した。次に、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるパッド電極２０を形成し、基板の裏側を研磨し、ウエハを１００μｍ程度の厚さにし、最後にＡｌ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極２２を形成して、ウエハを完成させた。
【００２８】
引き続いて、このウエハの導波路が形成されている面の導波路のない部分に、スクライブ傷を入れ、基板側から加圧して劈開することによって個々の素子の側端面２３を形成した。その結果、図２に示したように、側端面２３内の導波路端面２４以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸２５を形成できた。
【００２９】
なお、凹凸の高さを０．０５〜４０μｍの範囲の納めるには、以下のようにして行う。すなわち、ウエハの表面に短いスクライブ傷を入れてから劈開すると劈開面の凹凸は低くなり、また、ウエハの表面に長いスクライブ傷を入れてから劈開すると劈開面の凹凸は高くなる。そこで、実験的にスクライブ傷の長さと凹凸の高さの関係を測定すれば、所望の凹凸の高さとすることができる範囲のスクライブ傷の長さを求めることができる。そして、ウエハに対して求められた長さのスクライブ傷を入れれば、常に所望の凹凸の高さを有している劈開面を得ることができるようになる。
【００３０】
なお、ウエハの基板側にスクライブ傷を入れ、導波路（３周期ＭＱＷ活性層１３）が形成されている面側から加圧して劈開することによって側端面２３を形成しても、側端面２３内の導波路端面２４以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸２５を形成できる。
【００３１】
次いで、導波路端面２４が設けられている両側の側端面２３の全体に亘り、図３に示したように、光出射側端面２６においては例えばＥＢ（Electron Beam：電子ビーム）蒸着法等によって膜厚９６ｎｍのＳｉＯ２膜を形成することにより反射率が約７％の端面コート膜２７を形成し、光反射側端面にもＳｉＯ２層とＴｉＯ２層を相互に積層することにより所定の反射率の端面コート膜（図示せず）を形成した。なお、この時点では、個々の素子の光出射側端面２６及び光反射側端面にはＧａ酸化物被膜は形成されていない。
【００３２】
このようにして得られた素子を所定のマウントに組み込んだ後に、所定の駆動電流を流してエージングすると、図３に示したように、素子の光出射側端面２６及び光反射側端面には光化学反応によってＧａ酸化物被膜２８が形成され、実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０が得られる。
【００３３】
このＧａ酸化物被膜２８は、所定時間エージングを継続すると実質的に光化学反応が停止し、それ以上膜厚が増加しなくなるため、端面コート膜２７に加わる機械的ストレスが増加することがなくなり、光出射端面２６の状況は安定し、ＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０の使用上問題ないレベルの長期信頼性特性が得られるようになる。
【００３４】
なお、本実施例では基板としてＧａＮ基板を用いたが、サファイア基板、ＳｉＣ基板、その他の基板を用いたＧａＮ系化合物半導体レーザ素子においても、側端面内の導波路端面以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸を形成することにより、実施例に係るＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の場合と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の素子構造を示す模式的断面図である。
【図２】実施例において製造したＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の光出射面側の正面図である。
【図３】図２のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の導波路端面部分の縦断面図である。
【図４】従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ ＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３ ３周期構造ＭＱＷ活性層
１４ ＩｎＧａＮ光ガイド層
１５ ＡｌＧａＮキャップ層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１８ ｐ側電極
１９ リッジ
２０ パッド電極
２１ ＳｉＯ２膜
２２ ｎ側電極
２３ 側端面
２４ 導波路端面
２５ 凹凸
２６ 光出射側端面
２７ 端面コート膜
２８ ガリウム酸化物層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウムＧａＮ系化合物半導体レーザ素子に関し、特に青紫色の短波長の光を発することができ、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に隙間が生じ難く、劣化の少ないＧａＮ系化合物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青色ＬＥＤや青紫色半導体レーザにはIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体、特にＧａＮ系の化合物半導体が用いられている。このIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体は、欠陥の少ないＧａＮ基板等のIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体基板を得ることが困難であるため、通常サファイア基板又はＳｉＣ基板の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシャル成長）法、または、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの結晶成長法を用いて成長させている。
【０００３】
従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の一具体例を図４に示す。なお、図４は、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０の模式的な断面図である。このＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０は、サファイア基板５１上にバッファ層５２、アンドープＧａＮ層５３、ｎ−ＧａＮコンタクト層５４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５、ｎ−ＧａＮ光ガイド層５６、活性層５７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８が順に形成されている。ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８の所定幅の領域上にリッジ状にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９が形成されており、このリッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の側面に電流狭窄層６０が形成されている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の上面及び電流狭窄層６０上にｐ−ＧａＮコンタクト層６１が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層６１からｎ−ＧａＮコンタクト層５４までの一部領域が除去されてｎ−ＧａＮコンタクト層５４が露出し、メサ形状が形成されている。露出したｎ−ＧａＮコンタクト層５４の所定領域上にｎ側電極６２が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層６１の所定領域上にｐ側電極６３が形成されている。
【０００４】
このような従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子５０においては、活性層５７で生成された光が共振器の両端面で反射することによりレーザ発振するが、光出射側の共振器端面から出射されるレーザ光は、ｎ−ＧａＮ光ガイド層５６、活性層５７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層５８がｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９によって挟まれた導波路構造によって垂直方向の光閉じ込めが行われ、また、リッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９の凸部と平坦部とが交差する部分（凸部の下端部）によって水平方向の光閉じ込めが行われてスポット形状（光強度分布）が制御されている。そして、従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子においては、この導波路構造の端面を含む端面全体が鏡面になるように、一般的には劈開法によって作製されている（下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１９０６３５号公報（特許請求の範囲、段落［０００２］〜［００１９］、［００５９］〜［００６９］、図１〜図３、図１９〜図２０）
【特許文献２】特開２００５−２８６２１３号公報（段落［００５４］〜［００６０］、図２２〜図２７）
【特許文献３】特開２００６−４９５４０号公報（段落［０００６］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザ素子には、レーザ光導波路構造の両端面（前面及び後面）における反射率制御及び酸化防止のために端面コート膜が設けられる（上記特許文献２及び３参照）。しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子では、従来の半導体レーザ素子に比べてその発振波長が約４５０ｎｍ以下と短く、高エネルギーかつ高密度な光を放出するため、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の光出射端面において光化学反応が進行し、光出射端面のＧａＮ系結晶表面にＧａの酸化膜が生成されてしまう。その結果、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に機械的ストレスが発生し、最終的には両者の間に間隙が生じて、レーザ発振が停止してしまうという致命的な劣化現象に至る問題点があった。
【０００６】
発明者等は、このようなＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の光出射端面におけるＧａ酸化物層からなる被膜の形成過程を種々検討した結果、Ｇａ酸化物層からなる被膜の形成は避けることができないが、Ｇａ酸化物層からなる被膜はＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の使用初期に徐々に生成してもその後は成長が止まるため、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の導波面の形成領域を除くＧａＮ系結晶の端面に所定の数値範囲の凹凸形状を設けて端面コート膜とＧａＮ系結晶との間の付着強度を増大させることにより、上述のような端面コート膜とＧａＮ系結晶の間に間隙が生じることを防止でき、その結果としてレーザ発振が停止してしまうという致命的な問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００７】
なお、上記引用文献１には、ｎ−ＧａＮ基板上にバッファ層を介して設けられた六方晶窒化物系半導体の積層体を有する窒化物半導体レーザ素子において、ｎ−ＧａＮ基板及び積層体の各側面がともに略同一面上に露出するように劈開させて形成されたミラー端面を有し、このミラー端面においてｎ−ＧａＮ基板が露出する部分の凹凸の平均値を１〜１０ｎｍ、六方晶窒化物系半導体の積層体の露出する部分の凹凸の平均値を０．１ｎｍ以下（段落［００６９］参照）となすことにより、窒化物半導体レーザ素子の基板漏洩モードを抑制することに関する記載があるが、上述のような端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に生じる問題点を示唆する記載はない。
【０００８】
そこで、本発明は、青紫色の短波長の光を発することができ、端面コート膜とＧａＮ系結晶との間に隙間が生じ難く、劣化の少ないＧａＮ系化合物半導体レーザ素子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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子は、基板上に作製された光出射端面に端面コート膜を有するＧａＮ系化合物半導体レーザ素子であって、前記光出射端面において、前記端面コート膜と導波路端面との間にＧａ酸化物層からなる被膜を有し、前記導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記端面コート膜は前記光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記基板の表面にバッファ層を有していないことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の発明において、前記基板はサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化ガリウム基板から選択された１種であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上記のような構成を備えることにより以下に述べるような優れた効果を奏する。すなわち、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、光出射端面において、導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されているので、端面コート膜のＧａＮ系結晶への付着力が増加する。その結果、たとえ光化学反応により端面コート膜とＧａＮ系結晶の間にＧａ酸化物層からなる被膜が形成されて端面コート膜とＧａＮ系結晶の間に機械的ストレスが発生しても、間隙が生じることがなく、レーザ発振が停止してしまうという致命的な劣化を避けることができるようになる。
【００１４】
またＧａＮ系化合物半導体レーザ素子を駆動させながら所定時間が経過すると、Ｇａ酸化物層からなる被膜を形成する光化学反応が停止するので、それ以上端面コート膜とＧａＮ系結晶との間の機械的ストレスが増加することはなくなり、その結果、光出射端面の状況は安定し、ＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の使用上問題ないレベルの長期信頼性特性が得られる。
【００１５】
なお、凹凸の高さが０．０５μｍ未満では、端面コート膜の光出射端面への付着力が充分に強くならないので、端面コート膜とＧａＮ結晶の界面にＧａ酸化物層からなる被膜が形成されると端面コート膜が光出射端面から分離してしまい、凹凸を設けたことによる効果が表れなくなる。また、凹凸の高さが４０μｍ以上になると、端面コート膜の付着力としては充分であるが、この凹凸の存在がレーザ素子の共振器長ズレなどの特性不良原因となるので、避けるべきである。ゆえに凹凸の高さについては０．０５〜４０μｍの範囲がよい。なお、この発明の凹凸の高さ０．０５〜４０μｍの範囲という数値は、上記特許文献１に開示されているｎ−ＧａＮ基板が露出する部分の凹凸の平均値１〜１０ｎｍよりも大幅に大きな数値である。
【００１６】
なお、凹凸の高さについて、０．０５〜４０μｍにするためには、劈開時の切り込みの長短と凹凸の高さの関係を実験的に求めることにより、容易に所定値内に納めることができる。
【００１７】
なお、本発明では、光反射側端面においても、光出射側端面と同じく導波路端面以外の端面の表面には、０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成される。光反射側端面においても、光出射側端面と同じ作用でガリウム酸化物層が形成され、端面コート膜と結晶の間に間隙が生じると、特性劣化に至る（この場合は必ずしも発振停止にはならない）が、上記凹凸があるために、光出射側端面と同じ作用で特性劣化が防止される。
【００１８】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子で使用し得る端面コート膜としては、従来から使用されているＳｉＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＡｌＮ膜、ＴｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、アモルファスシリコン膜等を単独であるいは適宜組み合わせて複層膜として使用し得る。
【００１９】
この端面コート膜として、光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造とすると、特に長期駆動時には他の構成の端面膜を用いた場合よりも安定的に動作する。
【００２０】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、前記基板の表面にバッファ層を有していなくても所期の効果を達成することができるので、従来例に比すると製造工数を減らすことができるようになる。
【００２１】
また、本発明のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子によれば、基板としてサファイア基板又はＳｉＣ基板上に形成されたＧａＮ系結晶を有するものや、ＧａＮ系結晶自体を適宜選択して使用し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて詳細に説明するが、以下に述べた実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのＧａＮ系化合物半導体レーザ素子を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
【００２３】
なお、図１は実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の素子構造を示す模式的断面図であり、図２は実施例において製造したＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の光出射面側の正面図であり、図３は図２のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の導波路端面部分の縦断面図である。
【実施例】
【００２４】
実施例においては、ＧａＮ基板１１を用いて図１に示したような素子構造のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０を作成した。まず、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）法により、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、ＧｅＨ４を用い、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２を成長速度３．０Å／秒で１．０μｍ成長させた。
【００２５】
その後、温度を下降させ、３周期構造ＭＱＷ活性層１３のうちＩｎＧａＮ井戸層を、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用い、成長速度は１．０Å／秒で０．００３μｍ成長させた。次に、３周期構造ＭＱＷ活性層１３のうちＧａＮ障壁層を、原料にＮＨ３、トリメチルガリウムを用い、成長速度は１．０Å／秒で０．０２μｍ成長させた。次に、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用いＩｎＧａＮ光ガイド層１４を０．１μｍ成長させた。
【００２６】
次いで、成長温度８００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムを用い、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１５を０．０２μｍ成長させた。その後、温度を上昇させ、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウムを用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６を成長速度３．０Å／ｓｅｃで０．５μｍ成長させた。最後に、成長温度１１００℃、原料にＮＨ３、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムを用い、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を０．００５μｍ成長させた。
【００２７】
次に、電極プロセスを以下の手順で行った。まず、Ｐｔ／Ｐｄからなるｐ側電極１８を形成し、次にドライエッチングにより、電流狭窄部分であるリッジ１９を形成した。次に、ＣＶＤ法によってリッジ両側にＳｉＯ２膜２１を形成した。次に、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるパッド電極２０を形成し、基板の裏側を研磨し、ウエハを１００μｍ程度の厚さにし、最後にＡｌ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極２２を形成して、ウエハを完成させた。
【００２８】
引き続いて、このウエハの導波路が形成されている面の導波路のない部分に、スクライブ傷を入れ、基板側から加圧して劈開することによって個々の素子の側端面２３を形成した。その結果、図２に示したように、側端面２３内の導波路端面２４以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸２５を形成できた。
【００２９】
なお、凹凸の高さを０．０５〜４０μｍの範囲の納めるには、以下のようにして行う。すなわち、ウエハの表面に短いスクライブ傷を入れてから劈開すると劈開面の凹凸は低くなり、また、ウエハの表面に長いスクライブ傷を入れてから劈開すると劈開面の凹凸は高くなる。そこで、実験的にスクライブ傷の長さと凹凸の高さの関係を測定すれば、所望の凹凸の高さとすることができる範囲のスクライブ傷の長さを求めることができる。そして、ウエハに対して求められた長さのスクライブ傷を入れれば、常に所望の凹凸の高さを有している劈開面を得ることができるようになる。
【００３０】
なお、ウエハの基板側にスクライブ傷を入れ、導波路（３周期ＭＱＷ活性層１３）が形成されている面側から加圧して劈開することによって側端面２３を形成しても、側端面２３内の導波路端面２４以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸２５を形成できる。
【００３１】
次いで、導波路端面２４が設けられている両側の側端面２３の全体に亘り、図３に示したように、光出射側端面２６においては例えばＥＢ（Electron Beam：電子ビーム）蒸着法等によって膜厚９６ｎｍのＳｉＯ２膜を形成することにより反射率が約７％の端面コート膜２７を形成し、光反射側端面にもＳｉＯ２層とＴｉＯ２層を相互に積層することにより所定の反射率の端面コート膜（図示せず）を形成した。なお、この時点では、個々の素子の光出射側端面２６及び光反射側端面にはＧａ酸化物被膜は形成されていない。
【００３２】
このようにして得られた素子を所定のマウントに組み込んだ後に、所定の駆動電流を流してエージングすると、図３に示したように、素子の光出射側端面２６及び光反射側端面には光化学反応によってＧａ酸化物被膜２８が形成され、実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０が得られる。
【００３３】
このＧａ酸化物被膜２８は、所定時間エージングを継続すると実質的に光化学反応が停止し、それ以上膜厚が増加しなくなるため、端面コート膜２７に加わる機械的ストレスが増加することがなくなり、光出射端面２６の状況は安定し、ＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子１０の使用上問題ないレベルの長期信頼性特性が得られるようになる。
【００３４】
なお、本実施例では基板としてＧａＮ基板を用いたが、サファイア基板、ＳｉＣ基板、その他の基板を用いたＧａＮ系化合物半導体レーザ素子においても、側端面内の導波路端面以外の表面に高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸を形成することにより、実施例に係るＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の場合と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の素子構造を示す模式的断面図である。
【図２】実施例において製造したＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の光出射面側の正面図である。
【図３】図２のＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子の導波路端面部分の縦断面図である。
【図４】従来のＧａＮ系化合物半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ ＧａＮ系青紫色レーザダイオード素子
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１３ ３周期構造ＭＱＷ活性層
１４ ＩｎＧａＮ光ガイド層
１５ ＡｌＧａＮキャップ層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１８ ｐ側電極
１９ リッジ
２０ パッド電極
２１ ＳｉＯ２膜
２２ ｎ側電極
２３ 側端面
２４ 導波路端面
２５ 凹凸
２６ 光出射側端面
２７ 端面コート膜
２８ ガリウム酸化物層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に作製された光出射端面に端面コート膜を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子であって、前記光出射端面において、前記端面コート膜と導波路端面との間にガリウム酸化物層からなる被膜を有し、前記導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記端面コート膜は前記光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板の表面にバッファ層を有していないことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板はサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化ガリウム基板から選択された１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項１】
基板上に作製された光出射端面に端面コート膜を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子であって、前記光出射端面において、前記端面コート膜と導波路端面との間にガリウム酸化物層からなる被膜を有し、前記導波路端面以外の端面の表面には高さ０．０５〜４０μｍの範囲の凹凸が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記端面コート膜は前記光出射端面側あるいは光反射端面側からＡｌＮ層及びＡｌ２Ｏ３層、又は、Ａｌ２Ｏ３層及びＡｌＮ層からなる複層膜構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板の表面にバッファ層を有していないことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板はサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化ガリウム基板から選択された１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１６６８５（Ｐ２００８−１６６８５Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８７３１０（Ｐ２００６−１８７３１０）
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００２１４８９２）鳥取三洋電機株式会社 (1,582)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（０００２１４８９２）鳥取三洋電機株式会社 (1,582)
【Ｆターム（参考）】
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