窒化物半導体レーザ素子の製造方法
【課題】
窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
【解決手段】
導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
【解決手段】
導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器面に光吸収層を備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子では、所望のレーザ光の他に導波路領域から漏れ出た光が放出される。このような漏れ光はビーム品質を悪化させ、半導体レーザ素子を組み込んだ装置において、誤認識や画像劣化を引き起こす要因となる。特に、窒化物半導体レーザ素子は、活性層からの発光に対して吸収を持たない材料を基板として使用するため、漏れ光が基板を導波し、外部へ放出される。特許文献１では、端面に不透明膜を形成することが提案されている。
また、特許文献２には、発光部にピンホールを有する波面変換部を備える発光素子が開示されている。
また、窒化物半導体レーザ素子は、周囲の雰囲気にＳｉを構成元素とするガスが存在すると、出射されるレーザ光によりこのガスが反応し、出射端面にＳｉ酸化物が形成される。このようなＳｉ酸化物が形成されると、出射端面の反射率が変わってしまい駆動電流及び駆動電圧が変動することがある。そのため、窒化物半導体レーザ素子は通常気密封止されて窒化物半導体装置として用いられる。特許文献３には、パッケージ内の雰囲気を所定の湿度の不活性ガスとすることで端面に有機物が付着することを防止する半導体レーザ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2002-280663号公報
【特許文献２】特開2000-022277号公報
【特許文献３】特開2007-227587号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のような不透明膜では、レーザ光出射部に対応して形成されていないので漏れ光の対策としては十分でない。また、特許文献２のようにピンホールを設ける方法では、出射端面あるいは反射ミラーに損傷が与えられ、それに起因してレーザ特性が悪化することが考えられる。
そこで、本発明では、窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、共振器面へのダメージを低減し、レーザ光出射部に対応した光吸収層を形成した窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図２】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図３】実施形態の窒化物半導体レーザ素子を用いた窒化物半導体レーザ装置の構造を説明するための概略斜視図である。
【図４】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。
【図５】比較例の窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に図面を参照しながら実施形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体レーザ素子の製造方法を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
【０００９】
図１は実施形態の窒化物半導体レーザ素子の導波路領域における共振器方向の断面図であり、図２は実施形態の窒化物半導体レーザ素子の共振器方向と垂直な方向の断面図である。
実施形態の窒化物半導体レーザ素子１では、基板２上に窒化物半導体層３が形成され、窒化物半導体層の一対の共振器面３ａ及び３ｂのうち、光出射側（出射面）３ａには、反射ミラー４ａ、保護膜５、光吸収層６が順次形成されている。光吸収層6には、開口部６ａが形成されており、保護膜の表面の光出射部５ａからレーザ光が出射される。光反射側（反射面）３ｂには反射ミラー４ｂが形成されている。
また、窒化物半導体層３は、基板２上に設けられるｎ側半導体層３１、活性層３２及びｐ側半導体層３３で構成されている。また、ｐ側半導体層３の表面にはリッジ３ｃが設けられ、リッジに対応する活性層３２及びその近傍に導波路領域３ｄが形成されている。リッジの側面とリッジの側面から連続する窒化物半導体層の表面には第１絶縁膜９が形成されている。窒化物半導体層の側面には第２絶縁膜１０が形成されている。また、窒化物半導体層表面にはｐ側電極７ａが設けられ、基板裏面にはｎ側電極７ｂが形成されている。
【００１０】
このような窒化物半導体レーザ素子は、以下の工程により製造することができる。
（ａ）導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
（ｂ）共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程
（ｃ）光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する工程
【００１１】
このような製造方法によれば、共振器面へのダメージを低減して、レーザ光出射部に対応した開口部を有する光吸収層を形成することができる。詳細には、以下の通りである。窒化物半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料で形成された光吸収層は、レーザ発振によって導波路領域から高密度のレーザ光が光出射部に照射されることによって、導波路領域に対応した領域の光吸収層が除去され、開口部を有する光吸収層を形成することができる。また、工程（ｂ）のように、反射ミラー上に保護膜を形成することで反射ミラーを保護した状態で開口部を形成することができる。つまり、工程（ｃ）において保護膜上に形成された光吸収層に開口部を形成する際に、保護膜が設けられていることによって、高密度のレーザ光によって光吸収層が除去されたとしても、反射ミラーが損傷することを抑制し、反射ミラーの反射率を変動させることなく開口部を形成した窒化物半導体レーザ素子を製造することができる。
また、窒化物半導体のように比較的短波長の光を出射する半導体レーザでは、レーザ光によって周囲の雰囲気中のＳｉを構成元素とするガスが反応し、レーザ光の出射部表面にＳｉ酸化物が形成する。しかし、共振器面上に形成された光吸収層が開口部を有することによって、開口部内の光出射部表面ではなく、開口部周囲の光吸収層表面にＳｉ酸化物が形成され、レーザ光の出射される光出射部表面にＳｉ酸化物が形成されにくくすることができる。この理由としては、開口部周囲よりも開口部内の方がＳｉを構成元素とするガスの密度が低くなることで、開口部内においてはガスの反応が起こりにくくなり、Ｓｉ酸化物が形成されなくなると推測される。その結果、開口部周囲の光吸収層表面に優先的にＳｉ酸化物が形成され、光出射部への付着物形成を抑制することができる。
さらに、レーザ光の出射部以外の領域に光吸収層があるために、自然放出光を含む導波路領域から漏れた光を吸収させることで、ビーム品質を改善することができる。
【００１２】
以下、実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
（ａ）導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
例えば、基板２上に、窒化物半導体層３、電極（７ａ及び７ｂ）、第１絶縁膜９及び第２絶縁膜１０等を順次形成し、基板を劈開することによって共振器面を得ることができる。
【００１３】
窒化物半導体層３としては、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものや、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。ｎ側半導体層３１は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよい。また、ｐ側半導体層３３は、ｐ型不純物として、Ｍｇ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０１６／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３程度の濃度範囲で含有させることができる。
【００１４】
活性層３２は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。発振波長が５５０ｎｍ程度以下の短波長に対応する活性層を用いる場合には、
周囲の雰囲気中のＳｉと反応しやすいため、本発明を適用すると効果的である。
窒化物半導体層３は、ｎ側半導体層とｐ側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とすることが好ましい。
【００１５】
窒化物半導体層３の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている方法を用いることができる。
【００１６】
ｐ側半導体層３３の表面には、リッジ３ｃが形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度の範囲で形成することができる。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、ｐ側半導体層を構成する層の材料、膜厚、光閉じ込めの程度等を考慮して適宜調整することができ、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。リッジは、共振器方向の長さが１００〜１０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。
【００１７】
共振器面は、Ｍ面、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面の他、任意の面で形成できる。また、これらの面にオフアングルを有する面であってもよい。
共振器面は、劈開、エッチング等により形成することができる。
【００１８】
また、基板２は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体、サファイア、スピネル、炭化珪素、シリコン、ＺｎＯ、ＧａＡｓ等からなるものが挙げられる。具体的には、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面及びＲ面のいずれかを主面とし、窒化物半導体層を形成する面及び／又はその裏面に、０°より大きく１０°以下のオフ角を有するＧａＮ基板であることが好ましい。その膜厚は、例えば、５０μｍ以上１０ｍｍ以下が挙げられる。
【００１９】
ｐ側電極７ａ及びｎ側電極７ｂは、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。具体的には、ｐ側電極は、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、ＩＴＯなどで形成することができる。ｎ側電極は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。さらにこれらの電極上にパッド電極８等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。
【００２０】
第１絶縁膜９は、窒化物半導体層に供給される電流を所定の領域に狭窄するため、窒化物半導体の上面で電極と接続される領域以外に設けられる。例えば、図２に示すようなリッジ構造の場合は、リッジの側面及びその両側の窒化物半導体層上面に設けられる。
第１絶縁膜は、絶縁性材料であって、導波路領域に光を閉じ込めるため窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料で形成されることが好ましい。具体的には、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられる。なかでも特にＺｒＯ２又はＳｉＯ２が好ましい。膜厚は、０．１〜０．５μｍ程度で形成されることが好ましい。
【００２１】
第２絶縁膜１０は、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等を被覆するように形成されていてもよい。窒化物半導体層表面においては、第１絶縁膜を介して設けられてもよいし、直接第２絶縁膜が設けられてもよい。第２絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等で形成することができる。膜厚は、０．１〜１μｍ程度が挙げられる。
【００２２】
（ｂ）共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程
次に、先の工程で得られた共振器面に反射ミラー、保護膜、光吸収層を順次形成する。
【００２３】
反射ミラーは、窒化物半導体レーザ素子の共振器面に設けられ、レーザ光を反射、増幅させることで好適にレーザ光を放出する役割を果たすものである。
反射ミラーは、単層あるいは、低屈折率層と高屈折率層のペアにより構成される多層膜で形成することができる。出射側及び反射側両方の共振器面に反射ミラーが設けられていることが好ましい。出射側の共振器面に単層膜、反射側の共振器面に多層膜を形成してもよい。
反射ミラーは、所望の反射率を得るために、材料、膜厚、多層膜のペア数等を適宜調整することができる。各層の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、所望の発振波長（λ）、用いる材料のλでの屈折率（ｎ）によって決まる。具体的には、λ／（４ｎ）の整数倍とすることが好ましく、反射率を考慮して適宜調整することが好ましい。
例えば、発振波長が４０５ｎｍのレーザ素子において、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２で形成する場合、４０〜７０ｎｍ程度が例示される。このような多層膜の場合、ペア数は、２ペア以上、好ましくは５〜１５ペア程度が例示される。反射ミラーの全体としての膜厚は、例えば、５０〜９００ｎｍ程度が例示される。
出射側は、１１％、反射側は９５％程度の反射率となるように材料、膜厚、ペア数を調整することが好ましい。
また、反射ミラーは、窒化物半導体レーザ素子の幅方向において、全体にわたって形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。少なくとも、導波路領域及びその周辺に形成されていればよい。
【００２４】
反射ミラーは、絶縁性材料で形成され、窒化物半導体、特に活性層よりも屈折率が小さい材料で形成される。例えば、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、これらの組み合わせ等により形成することができる。具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられる。
また、共振器面を保護するために、共振器面に接触するようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）をはじめとする窒化物膜、六方晶系の材料で単結晶を含む膜を形成してもよい。
【００２５】
反射ミラーは、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等）ＣＶＤ法、又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。なかでも、ＥＣＲプラズマスパッタ法が好ましい。
また、共振器面に前処理、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等）、窒素、酸素、オゾンガスを含むプラズマの照射、酸化処理、熱処理、露光処理等を利用した後に、反射ミラーを形成してもよい。
【００２６】
保護膜は、共振器面の反射ミラー上に設けられる。実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、反射ミラー上に保護膜が設けられることによって、反射ミラーの表面を保護し、反射ミラーの劣化を抑制してレーザ光を適切に反射、増幅させることができる。また、レーザ光が保護膜を介して出射されるために、保護膜の膜厚に対応してレーザ光は拡散し、出射時の出射部表面（図１の場合は保護膜の表面）における光密度を緩和することができるので、Ｓｉ酸化物の形成をより効果的に抑制することができる。
保護膜の材料としては、反射ミラーとの密着性及び雰囲気中での安定性を考慮して選択することができる。具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられる。特に、ＳｉＯ２又はＡｌＮで形成することが好ましい。膜厚としては、３０〜８０００ｎｍ程度が挙げられる。
また、保護膜は、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が０．０１より小さいことが好ましい。保護膜の減衰係数はエリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０等を用いて測定することができる。
【００２７】
光吸収層は、共振器面の保護膜上に設けられる。光吸収層は、レーザの発振波長の光を吸収する材料で形成される。詳細は後述するが、このような材料で形成することで、簡便に開口部を形成することが可能になるためである。また、導波路領域から漏れ出た自然放出光等を吸収することができるので、良質なビーム品質の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
光吸収層の材料としては、金属又は半導体からなることが好ましく、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ等の金属や、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＳｉＣ等の半導体が挙げられる。また、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が、０．０１以上であることが好ましい。好ましくは、Ｓｉ又はＳｉＣである。光吸収層は、２０〜５００ｎｍ程度の膜厚で設けられることが好ましい。
【００２８】
（ｃ）光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する工程
次に、先に形成した光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する。光吸収層に設けられた開口部は、レーザ光の出射部に対応して設けられている。つまり、光出射部は、保護膜上に設けられる光吸収層が開口し、保護膜が光吸収層から露出した部分である。具体的には、共振器面を正面視したときに、導波路領域に対応する位置に、横長楕円形状に開口している。
【００２９】
この開口部の形成方法としては、窒化物半導体レーザ素子の電極に通電して一定の駆動電流を流してレーザ発振させ、レーザ光を光吸収層に吸収させることで光出射部に対応する位置の光吸収層を除去する。上述したように、光吸収層は窒化物半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料で形成されているので、レーザ発振によって高密度のレーザ光が光出射部に照射されることによって、当該領域の光吸収層が蒸発し、開口部を有する光吸収層を形成することができる。
【００３０】
開口部は、導波路領域の光密度、光吸収層の膜厚及び窒化物半導体レーザ素子の波長に応じてレーザの出力を調整することで形成することができる。開口部を形成するために必要なレーザの出力は、出射されるレーザ光の光密度に応じて決定される。例えば、シングルモードのレーザ素子では出射されるレーザ光の光密度が大きいので比較的低出力で開口部を形成することができるが、マルチモードのレーザ素子ではレーザ光の光密度が小さいので高出力のレーザ光を出射することで開口部を形成する。また、光吸収層の膜厚が厚ければ厚いほど開口部を形成するために必要なレーザ光の出力は大きくなる。また、窒化物半導体レーザ素子の波長が長いほど開口部を形成するために必要なレーザ光の出力は大きくなる。その理由としては、レーザ光のエネルギー（波長の逆数）が光吸収層を構成する元素の運動エネルギーに変換されることによって光吸収層が蒸発しているためである。
また、所望のレーザ光を取り出すためには、光吸収層の開口部の大きさは、窒化物半導体レーザ素子の定格光出力での駆動時に、ニアフィールドサイズ以上の大きさで形成されていることが好ましい。そのため、開口部を形成する際のレーザ光の出力は、定格光出力以上で発振させることが適しており、定格光出力の２倍以上で発振させることが好ましい。
また、駆動条件としては、パルス駆動、連続駆動あるいはその組み合わせ等により開口部を設けることができる。
具体的には、横モードがシングルモードである４０５ｎｍ帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を３０ｎｍの膜厚のＳｉとした場合、１０ｍＷ程度の光出力でＳｉが蒸発しはじめる。あるいは、横モードがシングルモードである４４５ｎｍ帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を３０ｎｍの膜厚のＳｉとした場合、２０ｍＷ程度の光出力でＳｉが蒸発しはじめる。
【００３１】
また、このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子を図３に示すように、サブマウント３０を介してステム２０上に載置し、窒化物半導体レーザ装置を得ることができる。窒化物半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。図３は、窒化物半導体レーザ装置の斜視図である。ステムには、ステムを貫通するようにリード４０ａ，４０ｂ及び４０ｃが設けられている。窒化物半導体レーザ素子は、ワイヤ５０ａ及び５０ｂによりリードと電気的に接続され、外部と導通をとることができる。
【００３２】
本実施形態の製造方法により製造された窒化物半導体レーザ素子を用いれば、気密封止を必要とせず、開放状態であっても周囲の雰囲気に起因した付着物の形成の起こらない窒化物半導体レーザ装置を得ることができる。
【００３３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ素子がステムに載置されている。ステムは、窒化物半導体レーザ素子で発生する熱を効率的に外部に放出するため、比較的熱伝導度が高い材料、例えば、２０Ｗ／ｍＫ程度以上の材料によって形成されることが好ましい。具体的な材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属や、ＡｌＮ、ＳｉＣ、アルミナなどのセラミックが挙げられる。これらの金属又はセラミックを母材とし、その表面の全面又は一部にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等でめっきが施されていてもよい。なかでも、表面が金めっきされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。
【００３４】
ステムの形状、大きさは特に限定されるものではなく、窒化物半導体レーザ装置の最終的に望まれる形状及び大きさ等によって、適宜調整することができる。平面形状としては、円形、楕円形、矩形をはじめとする多角形又はこれらに近似する形状のものを用いることができる。例えば、直径３〜１０ｍｍ程度の円形で平板状のものが挙げられる。その厚みとしては、０．５〜５ｍｍ程度であることが好ましい。また、ステムは平板状のものには限定されず、その表面に凹部及び／又は凸部が設けられていてもよい。具体的には図３に示すように、平板状のステムの半導体レーザ素子が載置される領域に凸部が設けられているものが挙げられる。
【００３５】
また、窒化物半導体レーザ素子は、サブマウントを介してステム上に配置されていてもよい。サブマウントは放熱のために熱伝導性の高い部材が用いられることが好ましく、具体的には、ＡｌＮ、ＣｕＷ，ダイヤモンド，ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。その表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等の薄膜が形成されていてもよい。
【００３６】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置の組み立て方法としては、特に限定されず、まず窒化物半導体レーザ素子をサブマウント上に載置して接着し、その後サブマウントの下面をステムに接着する方法、ステム上にサブマウントを載置して接着し、その後窒化物半導体レーザ素子をサブマウントに接着する方法等が挙げられる。
さらに、窒化物半導体レーザ素子の半導体層側をステムに実装したフェイスダウン実装、窒化物半導体レーザ素子の基板側をステムに実装したフェイスアップ実装等いずれの構造であってもよい。
【００３７】
また、窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ素子１を被覆するようにキャップがステムに取り付けられていてもよい。キャップを設けることで防水性、防塵性を高めることができる。
キャップの形状は、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）、錐台型（円錐台又は多角形錐台等）又はドーム型及びこれらの変形形状等が挙げられる。キャップは、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、真鍮等の材料を用いることができる。
キャップの上面又は側面のレーザ光の光出射部位に対応する部分には、レーザ光を通過させる開口部を有し、開口部にはレーザ光を取り出すための透光性部材が支持されているものを用いることができる。透光性部材は、例えば、ガラス、サファイア、セラミックス、樹脂等により形成することができる。また、その表面に、レーザ光を好適に透過させることができるように光透過膜が設けられていてもよい。また、透光性部材は、波長変換部材、光拡散材等を含有していてもよい。
【００３８】
また、窒化物半導体レーザ素子の出力をモニタするためにステム上にフォトダイオードを配置してもよい。また、過大な電圧印加による素子破壊や性能劣化から窒化物半導体レーザ素子を保護するために保護素子を配置してもよい。
【００３９】
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図１乃至３に示すような窒化物半導体レーザ素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、ｎ型不純物を含有した窒化物半導体基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、以下のように窒化物半導体層を順に成長させる。
（ｎ側半導体層３１）
ＳｉドープＡｌＧａＮ ２．４μｍ
アンドープＧａＮ ０．１７μｍ
（活性層３２）
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
（ｐ側半導体層３３）
ＭｇドープＡｌＧａＮ １００オングストローム
アンドープＧａＮ ０．１５μｍ
アンドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームとＭｇドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームを繰り返し成長させた総膜厚０．６μｍの超格子層
ＭｇドープＧａＮ １５０オングストローム
【００４１】
窒化物半導体層を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側半導体層の上面に、窒化物半導体レーザ素子の形状を規定するための所定形状のマスクパターンを形成してＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側半導体層を露出させる。
続いて、最上層のｐ側半導体層の上面に、幅１．５μｍのストライプ状のマスクパターンを形成し、ＲＩＥによりｐ側半導体層の途中までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状のリッジ３ｃを形成する。
続いて、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法を用いて窒化物半導体層の上面にＥＣＲスパッタ装置でＺｒＯ2膜２０００Åの第１絶縁膜９を形成する。
次に、リッジの最表面にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔを順に形成してなるｐ側電極７ａを形成する。
絶縁膜上から窒化物半導体層の側面及び先に露出したｎ側半導体層の表面にかけて、ＳｉＯ2よりなる第２絶縁膜１０を形成する。
続いて、ｐ側電極７ａと電気的に接続したｐ側パッド電極８を形成する。
その後、基板を８０μｍ程度の厚さに研磨し、基板２の裏面にｎ側電極７ｂを形成する。
【００４２】
（共振器面３ａ及び３ｂの形成）
その後、窒化物半導体層及び基板を劈開してバー状とする。バーの劈開面が、（１−１００）面となるように劈開し、共振器面を作製する。
【００４３】
（反射ミラー４ａ及び４ｂの形成）
共振面に反射ミラーを形成する。まず、出射側の共振器面に、第１膜として、共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で、Ａｌターゲットを用いて、膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。その上にさらに、第２膜として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で膜厚２６０ｎｍのＳｉＯ２を形成する。
続いて、反射面側の共振器面に、出射面側と同様に、第１膜として膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。その上に、スパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、ＳｉＯ２を６９ｎｍの膜厚で成膜し、Ｔａ２Ｏ５を膜厚４６ｎｍで成膜する。ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を繰り返し成膜し、（ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５）を６周期成膜し、反射側の第２膜とする。
【００４４】
（保護膜５の形成）
出射側の反射ミラー上に保護膜を形成する。スパッタ装置で、Ｓｉターゲットを用いて、膜厚１１００ｎｍのＳｉＯ２を形成する。
【００４５】
（光吸収層６の形成）
保護膜上に光吸収層を形成する。スパッタ装置で、ＳｉＣターゲットを用いて、膜厚２００ｎｍのＳｉＣ膜を形成する。
【００４６】
（開口部６ａの形成）
得られた窒化物半導体レーザ素子の光吸収層に、導波路領域（光出射部）に対応する開口部を形成する。
窒化物半導体レーザ素子の電極に通電し、パルス駆動により出力７０ｍＷで駆動させてレーザ発振させる。駆動後に出射側共振器面を観察すると、光出射部に対応する位置の光吸収層を除去されていることが観察される。
【００４７】
最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子を得る。
【００４８】
得られた窒化物半導体レーザ素子をサブマウント３０を介してステム２０上に載置し、大気開放状態でＴｃ＝７５℃下において光出力２０ｍＷでレーザ発振を試みた。この窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を図４に示す。試験数は８個である。実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、１０００時間経過しても付着物起因の駆動電流の変動は無く、安定に動作した。また、得られた窒化物半導体レーザ素子の光放出状態を観測したところ、導波路領域以外の領域から放出される漏れ光は大きく減少していた。
また、光吸収層を形成しない以外は、同様にして形成した窒化物半導体レーザ素子を同様の条件で駆動させた駆動電流と駆動時間の関係を図５に示す。比較例の窒化物半導体レーザ素子は、駆動時間の経過と共に駆動電流の変動が見られた。
【００４９】
（実施例２）
本実施例は、保護膜及び光吸収層の構造を変更した以外は実施例１と同様である。出射側の反射ミラー上に保護膜として、スパッタ装置でＡｌターゲットを用いて、ＡｌＮを膜厚１１０ｎｍで形成する。保護膜上には、スパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、実施例１と同様にしてＳｉを膜厚３０ｎｍで形成する。
本実施例では、実施例１と同等の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体レーザ装置は、光ディスク、光通信システム、プロジェクタ、又は印刷機、測定器等全てのデバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：窒化物半導体レーザ素子
２：基板
３：窒化物半導体層
３ａ：光出射側共振器面（出射面）
３ｂ：光反射側共振器面（反射面）
４ａ，４ｂ：反射ミラー
５：保護膜
５ａ：光出射部
６：光吸収層
６ａ：開口部
１００：窒化物半導体レーザ装置
２０：ステム
３０：サブマウント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器面に光吸収層を備える窒化物半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子では、所望のレーザ光の他に導波路領域から漏れ出た光が放出される。このような漏れ光はビーム品質を悪化させ、半導体レーザ素子を組み込んだ装置において、誤認識や画像劣化を引き起こす要因となる。特に、窒化物半導体レーザ素子は、活性層からの発光に対して吸収を持たない材料を基板として使用するため、漏れ光が基板を導波し、外部へ放出される。特許文献１では、端面に不透明膜を形成することが提案されている。
また、特許文献２には、発光部にピンホールを有する波面変換部を備える発光素子が開示されている。
また、窒化物半導体レーザ素子は、周囲の雰囲気にＳｉを構成元素とするガスが存在すると、出射されるレーザ光によりこのガスが反応し、出射端面にＳｉ酸化物が形成される。このようなＳｉ酸化物が形成されると、出射端面の反射率が変わってしまい駆動電流及び駆動電圧が変動することがある。そのため、窒化物半導体レーザ素子は通常気密封止されて窒化物半導体装置として用いられる。特許文献３には、パッケージ内の雰囲気を所定の湿度の不活性ガスとすることで端面に有機物が付着することを防止する半導体レーザ装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2002-280663号公報
【特許文献２】特開2000-022277号公報
【特許文献３】特開2007-227587号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のような不透明膜では、レーザ光出射部に対応して形成されていないので漏れ光の対策としては十分でない。また、特許文献２のようにピンホールを設ける方法では、出射端面あるいは反射ミラーに損傷が与えられ、それに起因してレーザ特性が悪化することが考えられる。
そこで、本発明では、窒化物半導体レーザ素子の共振器面に、レーザ光出射部に対応した光吸収層を加工による損傷を軽減して製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、共振器面へのダメージを低減し、レーザ光出射部に対応した光吸収層を形成した窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図２】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図３】実施形態の窒化物半導体レーザ素子を用いた窒化物半導体レーザ装置の構造を説明するための概略斜視図である。
【図４】実施形態の窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。
【図５】比較例の窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に図面を参照しながら実施形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体レーザ素子の製造方法を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
【０００９】
図１は実施形態の窒化物半導体レーザ素子の導波路領域における共振器方向の断面図であり、図２は実施形態の窒化物半導体レーザ素子の共振器方向と垂直な方向の断面図である。
実施形態の窒化物半導体レーザ素子１では、基板２上に窒化物半導体層３が形成され、窒化物半導体層の一対の共振器面３ａ及び３ｂのうち、光出射側（出射面）３ａには、反射ミラー４ａ、保護膜５、光吸収層６が順次形成されている。光吸収層6には、開口部６ａが形成されており、保護膜の表面の光出射部５ａからレーザ光が出射される。光反射側（反射面）３ｂには反射ミラー４ｂが形成されている。
また、窒化物半導体層３は、基板２上に設けられるｎ側半導体層３１、活性層３２及びｐ側半導体層３３で構成されている。また、ｐ側半導体層３の表面にはリッジ３ｃが設けられ、リッジに対応する活性層３２及びその近傍に導波路領域３ｄが形成されている。リッジの側面とリッジの側面から連続する窒化物半導体層の表面には第１絶縁膜９が形成されている。窒化物半導体層の側面には第２絶縁膜１０が形成されている。また、窒化物半導体層表面にはｐ側電極７ａが設けられ、基板裏面にはｎ側電極７ｂが形成されている。
【００１０】
このような窒化物半導体レーザ素子は、以下の工程により製造することができる。
（ａ）導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
（ｂ）共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程
（ｃ）光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する工程
【００１１】
このような製造方法によれば、共振器面へのダメージを低減して、レーザ光出射部に対応した開口部を有する光吸収層を形成することができる。詳細には、以下の通りである。窒化物半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料で形成された光吸収層は、レーザ発振によって導波路領域から高密度のレーザ光が光出射部に照射されることによって、導波路領域に対応した領域の光吸収層が除去され、開口部を有する光吸収層を形成することができる。また、工程（ｂ）のように、反射ミラー上に保護膜を形成することで反射ミラーを保護した状態で開口部を形成することができる。つまり、工程（ｃ）において保護膜上に形成された光吸収層に開口部を形成する際に、保護膜が設けられていることによって、高密度のレーザ光によって光吸収層が除去されたとしても、反射ミラーが損傷することを抑制し、反射ミラーの反射率を変動させることなく開口部を形成した窒化物半導体レーザ素子を製造することができる。
また、窒化物半導体のように比較的短波長の光を出射する半導体レーザでは、レーザ光によって周囲の雰囲気中のＳｉを構成元素とするガスが反応し、レーザ光の出射部表面にＳｉ酸化物が形成する。しかし、共振器面上に形成された光吸収層が開口部を有することによって、開口部内の光出射部表面ではなく、開口部周囲の光吸収層表面にＳｉ酸化物が形成され、レーザ光の出射される光出射部表面にＳｉ酸化物が形成されにくくすることができる。この理由としては、開口部周囲よりも開口部内の方がＳｉを構成元素とするガスの密度が低くなることで、開口部内においてはガスの反応が起こりにくくなり、Ｓｉ酸化物が形成されなくなると推測される。その結果、開口部周囲の光吸収層表面に優先的にＳｉ酸化物が形成され、光出射部への付着物形成を抑制することができる。
さらに、レーザ光の出射部以外の領域に光吸収層があるために、自然放出光を含む導波路領域から漏れた光を吸収させることで、ビーム品質を改善することができる。
【００１２】
以下、実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
（ａ）導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程
例えば、基板２上に、窒化物半導体層３、電極（７ａ及び７ｂ）、第１絶縁膜９及び第２絶縁膜１０等を順次形成し、基板を劈開することによって共振器面を得ることができる。
【００１３】
窒化物半導体層３としては、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものや、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。ｎ側半導体層３１は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよい。また、ｐ側半導体層３３は、ｐ型不純物として、Ｍｇ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０１６／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３程度の濃度範囲で含有させることができる。
【００１４】
活性層３２は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。発振波長が５５０ｎｍ程度以下の短波長に対応する活性層を用いる場合には、
周囲の雰囲気中のＳｉと反応しやすいため、本発明を適用すると効果的である。
窒化物半導体層３は、ｎ側半導体層とｐ側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とすることが好ましい。
【００１５】
窒化物半導体層３の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている方法を用いることができる。
【００１６】
ｐ側半導体層３３の表面には、リッジ３ｃが形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度の範囲で形成することができる。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、ｐ側半導体層を構成する層の材料、膜厚、光閉じ込めの程度等を考慮して適宜調整することができ、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。リッジは、共振器方向の長さが１００〜１０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。
【００１７】
共振器面は、Ｍ面、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面の他、任意の面で形成できる。また、これらの面にオフアングルを有する面であってもよい。
共振器面は、劈開、エッチング等により形成することができる。
【００１８】
また、基板２は、絶縁性基板であってもよいし、導電性基板であってもよい。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体、サファイア、スピネル、炭化珪素、シリコン、ＺｎＯ、ＧａＡｓ等からなるものが挙げられる。具体的には、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面及びＲ面のいずれかを主面とし、窒化物半導体層を形成する面及び／又はその裏面に、０°より大きく１０°以下のオフ角を有するＧａＮ基板であることが好ましい。その膜厚は、例えば、５０μｍ以上１０ｍｍ以下が挙げられる。
【００１９】
ｐ側電極７ａ及びｎ側電極７ｂは、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。具体的には、ｐ側電極は、Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ、ＩＴＯなどで形成することができる。ｎ側電極は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。さらにこれらの電極上にパッド電極８等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。
【００２０】
第１絶縁膜９は、窒化物半導体層に供給される電流を所定の領域に狭窄するため、窒化物半導体の上面で電極と接続される領域以外に設けられる。例えば、図２に示すようなリッジ構造の場合は、リッジの側面及びその両側の窒化物半導体層上面に設けられる。
第１絶縁膜は、絶縁性材料であって、導波路領域に光を閉じ込めるため窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料で形成されることが好ましい。具体的には、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられる。なかでも特にＺｒＯ２又はＳｉＯ２が好ましい。膜厚は、０．１〜０．５μｍ程度で形成されることが好ましい。
【００２１】
第２絶縁膜１０は、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等を被覆するように形成されていてもよい。窒化物半導体層表面においては、第１絶縁膜を介して設けられてもよいし、直接第２絶縁膜が設けられてもよい。第２絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等で形成することができる。膜厚は、０．１〜１μｍ程度が挙げられる。
【００２２】
（ｂ）共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程
次に、先の工程で得られた共振器面に反射ミラー、保護膜、光吸収層を順次形成する。
【００２３】
反射ミラーは、窒化物半導体レーザ素子の共振器面に設けられ、レーザ光を反射、増幅させることで好適にレーザ光を放出する役割を果たすものである。
反射ミラーは、単層あるいは、低屈折率層と高屈折率層のペアにより構成される多層膜で形成することができる。出射側及び反射側両方の共振器面に反射ミラーが設けられていることが好ましい。出射側の共振器面に単層膜、反射側の共振器面に多層膜を形成してもよい。
反射ミラーは、所望の反射率を得るために、材料、膜厚、多層膜のペア数等を適宜調整することができる。各層の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、所望の発振波長（λ）、用いる材料のλでの屈折率（ｎ）によって決まる。具体的には、λ／（４ｎ）の整数倍とすることが好ましく、反射率を考慮して適宜調整することが好ましい。
例えば、発振波長が４０５ｎｍのレーザ素子において、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２で形成する場合、４０〜７０ｎｍ程度が例示される。このような多層膜の場合、ペア数は、２ペア以上、好ましくは５〜１５ペア程度が例示される。反射ミラーの全体としての膜厚は、例えば、５０〜９００ｎｍ程度が例示される。
出射側は、１１％、反射側は９５％程度の反射率となるように材料、膜厚、ペア数を調整することが好ましい。
また、反射ミラーは、窒化物半導体レーザ素子の幅方向において、全体にわたって形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。少なくとも、導波路領域及びその周辺に形成されていればよい。
【００２４】
反射ミラーは、絶縁性材料で形成され、窒化物半導体、特に活性層よりも屈折率が小さい材料で形成される。例えば、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、これらの組み合わせ等により形成することができる。具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられる。
また、共振器面を保護するために、共振器面に接触するようにＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）をはじめとする窒化物膜、六方晶系の材料で単結晶を含む膜を形成してもよい。
【００２５】
反射ミラーは、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等）ＣＶＤ法、又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。なかでも、ＥＣＲプラズマスパッタ法が好ましい。
また、共振器面に前処理、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等）、窒素、酸素、オゾンガスを含むプラズマの照射、酸化処理、熱処理、露光処理等を利用した後に、反射ミラーを形成してもよい。
【００２６】
保護膜は、共振器面の反射ミラー上に設けられる。実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、反射ミラー上に保護膜が設けられることによって、反射ミラーの表面を保護し、反射ミラーの劣化を抑制してレーザ光を適切に反射、増幅させることができる。また、レーザ光が保護膜を介して出射されるために、保護膜の膜厚に対応してレーザ光は拡散し、出射時の出射部表面（図１の場合は保護膜の表面）における光密度を緩和することができるので、Ｓｉ酸化物の形成をより効果的に抑制することができる。
保護膜の材料としては、反射ミラーとの密着性及び雰囲気中での安定性を考慮して選択することができる。具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられる。特に、ＳｉＯ２又はＡｌＮで形成することが好ましい。膜厚としては、３０〜８０００ｎｍ程度が挙げられる。
また、保護膜は、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が０．０１より小さいことが好ましい。保護膜の減衰係数はエリプソメトリーを利用した分光エリプソメータ、具体的には、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０等を用いて測定することができる。
【００２７】
光吸収層は、共振器面の保護膜上に設けられる。光吸収層は、レーザの発振波長の光を吸収する材料で形成される。詳細は後述するが、このような材料で形成することで、簡便に開口部を形成することが可能になるためである。また、導波路領域から漏れ出た自然放出光等を吸収することができるので、良質なビーム品質の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
光吸収層の材料としては、金属又は半導体からなることが好ましく、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ等の金属や、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＳｉＣ等の半導体が挙げられる。また、レーザ光の発振波長に対する減衰係数が、０．０１以上であることが好ましい。好ましくは、Ｓｉ又はＳｉＣである。光吸収層は、２０〜５００ｎｍ程度の膜厚で設けられることが好ましい。
【００２８】
（ｃ）光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する工程
次に、先に形成した光吸収層に導波路領域に対応する開口部を形成する。光吸収層に設けられた開口部は、レーザ光の出射部に対応して設けられている。つまり、光出射部は、保護膜上に設けられる光吸収層が開口し、保護膜が光吸収層から露出した部分である。具体的には、共振器面を正面視したときに、導波路領域に対応する位置に、横長楕円形状に開口している。
【００２９】
この開口部の形成方法としては、窒化物半導体レーザ素子の電極に通電して一定の駆動電流を流してレーザ発振させ、レーザ光を光吸収層に吸収させることで光出射部に対応する位置の光吸収層を除去する。上述したように、光吸収層は窒化物半導体レーザ素子の発振波長の光を吸収する材料で形成されているので、レーザ発振によって高密度のレーザ光が光出射部に照射されることによって、当該領域の光吸収層が蒸発し、開口部を有する光吸収層を形成することができる。
【００３０】
開口部は、導波路領域の光密度、光吸収層の膜厚及び窒化物半導体レーザ素子の波長に応じてレーザの出力を調整することで形成することができる。開口部を形成するために必要なレーザの出力は、出射されるレーザ光の光密度に応じて決定される。例えば、シングルモードのレーザ素子では出射されるレーザ光の光密度が大きいので比較的低出力で開口部を形成することができるが、マルチモードのレーザ素子ではレーザ光の光密度が小さいので高出力のレーザ光を出射することで開口部を形成する。また、光吸収層の膜厚が厚ければ厚いほど開口部を形成するために必要なレーザ光の出力は大きくなる。また、窒化物半導体レーザ素子の波長が長いほど開口部を形成するために必要なレーザ光の出力は大きくなる。その理由としては、レーザ光のエネルギー（波長の逆数）が光吸収層を構成する元素の運動エネルギーに変換されることによって光吸収層が蒸発しているためである。
また、所望のレーザ光を取り出すためには、光吸収層の開口部の大きさは、窒化物半導体レーザ素子の定格光出力での駆動時に、ニアフィールドサイズ以上の大きさで形成されていることが好ましい。そのため、開口部を形成する際のレーザ光の出力は、定格光出力以上で発振させることが適しており、定格光出力の２倍以上で発振させることが好ましい。
また、駆動条件としては、パルス駆動、連続駆動あるいはその組み合わせ等により開口部を設けることができる。
具体的には、横モードがシングルモードである４０５ｎｍ帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を３０ｎｍの膜厚のＳｉとした場合、１０ｍＷ程度の光出力でＳｉが蒸発しはじめる。あるいは、横モードがシングルモードである４４５ｎｍ帯窒化物半導体レーザ素子において、光吸収層を３０ｎｍの膜厚のＳｉとした場合、２０ｍＷ程度の光出力でＳｉが蒸発しはじめる。
【００３１】
また、このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子を図３に示すように、サブマウント３０を介してステム２０上に載置し、窒化物半導体レーザ装置を得ることができる。窒化物半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。図３は、窒化物半導体レーザ装置の斜視図である。ステムには、ステムを貫通するようにリード４０ａ，４０ｂ及び４０ｃが設けられている。窒化物半導体レーザ素子は、ワイヤ５０ａ及び５０ｂによりリードと電気的に接続され、外部と導通をとることができる。
【００３２】
本実施形態の製造方法により製造された窒化物半導体レーザ素子を用いれば、気密封止を必要とせず、開放状態であっても周囲の雰囲気に起因した付着物の形成の起こらない窒化物半導体レーザ装置を得ることができる。
【００３３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ素子がステムに載置されている。ステムは、窒化物半導体レーザ素子で発生する熱を効率的に外部に放出するため、比較的熱伝導度が高い材料、例えば、２０Ｗ／ｍＫ程度以上の材料によって形成されることが好ましい。具体的な材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属や、ＡｌＮ、ＳｉＣ、アルミナなどのセラミックが挙げられる。これらの金属又はセラミックを母材とし、その表面の全面又は一部にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等でめっきが施されていてもよい。なかでも、表面が金めっきされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。
【００３４】
ステムの形状、大きさは特に限定されるものではなく、窒化物半導体レーザ装置の最終的に望まれる形状及び大きさ等によって、適宜調整することができる。平面形状としては、円形、楕円形、矩形をはじめとする多角形又はこれらに近似する形状のものを用いることができる。例えば、直径３〜１０ｍｍ程度の円形で平板状のものが挙げられる。その厚みとしては、０．５〜５ｍｍ程度であることが好ましい。また、ステムは平板状のものには限定されず、その表面に凹部及び／又は凸部が設けられていてもよい。具体的には図３に示すように、平板状のステムの半導体レーザ素子が載置される領域に凸部が設けられているものが挙げられる。
【００３５】
また、窒化物半導体レーザ素子は、サブマウントを介してステム上に配置されていてもよい。サブマウントは放熱のために熱伝導性の高い部材が用いられることが好ましく、具体的には、ＡｌＮ、ＣｕＷ，ダイヤモンド，ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。その表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等の薄膜が形成されていてもよい。
【００３６】
また、本発明の窒化物半導体レーザ装置の組み立て方法としては、特に限定されず、まず窒化物半導体レーザ素子をサブマウント上に載置して接着し、その後サブマウントの下面をステムに接着する方法、ステム上にサブマウントを載置して接着し、その後窒化物半導体レーザ素子をサブマウントに接着する方法等が挙げられる。
さらに、窒化物半導体レーザ素子の半導体層側をステムに実装したフェイスダウン実装、窒化物半導体レーザ素子の基板側をステムに実装したフェイスアップ実装等いずれの構造であってもよい。
【００３７】
また、窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザ素子１を被覆するようにキャップがステムに取り付けられていてもよい。キャップを設けることで防水性、防塵性を高めることができる。
キャップの形状は、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）、錐台型（円錐台又は多角形錐台等）又はドーム型及びこれらの変形形状等が挙げられる。キャップは、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、真鍮等の材料を用いることができる。
キャップの上面又は側面のレーザ光の光出射部位に対応する部分には、レーザ光を通過させる開口部を有し、開口部にはレーザ光を取り出すための透光性部材が支持されているものを用いることができる。透光性部材は、例えば、ガラス、サファイア、セラミックス、樹脂等により形成することができる。また、その表面に、レーザ光を好適に透過させることができるように光透過膜が設けられていてもよい。また、透光性部材は、波長変換部材、光拡散材等を含有していてもよい。
【００３８】
また、窒化物半導体レーザ素子の出力をモニタするためにステム上にフォトダイオードを配置してもよい。また、過大な電圧印加による素子破壊や性能劣化から窒化物半導体レーザ素子を保護するために保護素子を配置してもよい。
【００３９】
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図１乃至３に示すような窒化物半導体レーザ素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、ｎ型不純物を含有した窒化物半導体基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、以下のように窒化物半導体層を順に成長させる。
（ｎ側半導体層３１）
ＳｉドープＡｌＧａＮ ２．４μｍ
アンドープＧａＮ ０．１７μｍ
（活性層３２）
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
（ｐ側半導体層３３）
ＭｇドープＡｌＧａＮ １００オングストローム
アンドープＧａＮ ０．１５μｍ
アンドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームとＭｇドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームを繰り返し成長させた総膜厚０．６μｍの超格子層
ＭｇドープＧａＮ １５０オングストローム
【００４１】
窒化物半導体層を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側半導体層の上面に、窒化物半導体レーザ素子の形状を規定するための所定形状のマスクパターンを形成してＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側半導体層を露出させる。
続いて、最上層のｐ側半導体層の上面に、幅１．５μｍのストライプ状のマスクパターンを形成し、ＲＩＥによりｐ側半導体層の途中までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状のリッジ３ｃを形成する。
続いて、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法を用いて窒化物半導体層の上面にＥＣＲスパッタ装置でＺｒＯ2膜２０００Åの第１絶縁膜９を形成する。
次に、リッジの最表面にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔを順に形成してなるｐ側電極７ａを形成する。
絶縁膜上から窒化物半導体層の側面及び先に露出したｎ側半導体層の表面にかけて、ＳｉＯ2よりなる第２絶縁膜１０を形成する。
続いて、ｐ側電極７ａと電気的に接続したｐ側パッド電極８を形成する。
その後、基板を８０μｍ程度の厚さに研磨し、基板２の裏面にｎ側電極７ｂを形成する。
【００４２】
（共振器面３ａ及び３ｂの形成）
その後、窒化物半導体層及び基板を劈開してバー状とする。バーの劈開面が、（１−１００）面となるように劈開し、共振器面を作製する。
【００４３】
（反射ミラー４ａ及び４ｂの形成）
共振面に反射ミラーを形成する。まず、出射側の共振器面に、第１膜として、共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で、Ａｌターゲットを用いて、膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。その上にさらに、第２膜として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で膜厚２６０ｎｍのＳｉＯ２を形成する。
続いて、反射面側の共振器面に、出射面側と同様に、第１膜として膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。その上に、スパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、ＳｉＯ２を６９ｎｍの膜厚で成膜し、Ｔａ２Ｏ５を膜厚４６ｎｍで成膜する。ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を繰り返し成膜し、（ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５）を６周期成膜し、反射側の第２膜とする。
【００４４】
（保護膜５の形成）
出射側の反射ミラー上に保護膜を形成する。スパッタ装置で、Ｓｉターゲットを用いて、膜厚１１００ｎｍのＳｉＯ２を形成する。
【００４５】
（光吸収層６の形成）
保護膜上に光吸収層を形成する。スパッタ装置で、ＳｉＣターゲットを用いて、膜厚２００ｎｍのＳｉＣ膜を形成する。
【００４６】
（開口部６ａの形成）
得られた窒化物半導体レーザ素子の光吸収層に、導波路領域（光出射部）に対応する開口部を形成する。
窒化物半導体レーザ素子の電極に通電し、パルス駆動により出力７０ｍＷで駆動させてレーザ発振させる。駆動後に出射側共振器面を観察すると、光出射部に対応する位置の光吸収層を除去されていることが観察される。
【００４７】
最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子を得る。
【００４８】
得られた窒化物半導体レーザ素子をサブマウント３０を介してステム２０上に載置し、大気開放状態でＴｃ＝７５℃下において光出力２０ｍＷでレーザ発振を試みた。この窒化物半導体レーザ素子の駆動電流と駆動時間の関係を図４に示す。試験数は８個である。実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、１０００時間経過しても付着物起因の駆動電流の変動は無く、安定に動作した。また、得られた窒化物半導体レーザ素子の光放出状態を観測したところ、導波路領域以外の領域から放出される漏れ光は大きく減少していた。
また、光吸収層を形成しない以外は、同様にして形成した窒化物半導体レーザ素子を同様の条件で駆動させた駆動電流と駆動時間の関係を図５に示す。比較例の窒化物半導体レーザ素子は、駆動時間の経過と共に駆動電流の変動が見られた。
【００４９】
（実施例２）
本実施例は、保護膜及び光吸収層の構造を変更した以外は実施例１と同様である。出射側の反射ミラー上に保護膜として、スパッタ装置でＡｌターゲットを用いて、ＡｌＮを膜厚１１０ｎｍで形成する。保護膜上には、スパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、実施例１と同様にしてＳｉを膜厚３０ｎｍで形成する。
本実施例では、実施例１と同等の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体レーザ装置は、光ディスク、光通信システム、プロジェクタ、又は印刷機、測定器等全てのデバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：窒化物半導体レーザ素子
２：基板
３：窒化物半導体層
３ａ：光出射側共振器面（出射面）
３ｂ：光反射側共振器面（反射面）
４ａ，４ｂ：反射ミラー
５：保護膜
５ａ：光出射部
６：光吸収層
６ａ：開口部
１００：窒化物半導体レーザ装置
２０：ステム
３０：サブマウント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記開口部形成工程において、前記開口部は前記窒化物半導体レーザ素子を発振させることによって設けられる請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記保護膜、光吸収層及び開口部は、光出射側の前記共振器面に設けられる請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜はＳｉＯ２又はＡｌＮからなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記光吸収層はＳｉ又はＳｉＣからなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１】
導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層を形成する工程と、
前記共振器面上に、反射ミラーと、保護膜と、光吸収層とを順次形成する工程と、
前記光吸収層に前記導波路領域に対応する開口部を形成する開口部形成工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記開口部形成工程において、前記開口部は前記窒化物半導体レーザ素子を発振させることによって設けられる請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記保護膜、光吸収層及び開口部は、光出射側の前記共振器面に設けられる請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜はＳｉＯ２又はＡｌＮからなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記光吸収層はＳｉ又はＳｉＣからなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１９１１０７（Ｐ２０１２−１９１１０７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５１８９（Ｐ２０１１−５５１８９）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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