窒化物系半導体レーザ素子
【課題】吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製することができ、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能な窒化物系半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている窒化物系半導体レーザ素子とした。
【解決手段】基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている窒化物系半導体レーザ素子とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族元素であるＡｌ、ＧａまたはＩｎ等と、Ｖ族元素であるＮとの化合物である窒化物半導体は、そのバンド構造や化学的安定性から、発光素子やパワーデバイスなどの半導体材料として期待され、種々の応用が試みられてきた。これらの用途のうち、光ディスクドライブなどの光学式情報記録装置の光源として用いられる窒化物系半導体レーザ素子においては、近年、ＧａＮ基板の採用や結晶成長技術の向上、素子構造の工夫やウェハプロセス技術の改善などにより、信頼性が確保され、商品として市場を形成するに至っている。
【０００３】
窒化物系半導体レーザ素子の現在の大きな課題は、歩留改善や工数の低減など、コスト削減である。特に、レーザの放射角については制御が難しく、これまで種々の制御法が検討されている。放射角の内、垂直放射角については、クラッド層の外側にしみ出した光のため、発光パターンが乱れ、迷光の発生や、検査不適合が生じるなどの不都合が生じることがあった。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に、垂直放射角の改善を行うことができる窒化物系半導体レーザ素子が開示されている。図３に、特許文献１に開示された従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図を示す。Ｃ面のサファイア等の基板２１上に、順に、層厚３０ｎｍのＧａＮからなる低温バッファ層２２、ｎコンタクト層としての層厚３μｍのＳｉドープＧａＮ層２３、光吸収層としてのＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層２４、ｎ型クラッド層としての層厚０．４μｍのＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層２５、ガイド層としての層厚０．１μｍのＳｉドープＧａＮ層２６、活性層としてのＩｎＧａＮ層２７、ｐ層側のバリア層としての層厚２０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２８、ガイド層としての層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ層２９、ｐ型クラッド層としての層厚０．４μｍのＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３０、ｐコンタクト層としての層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ層３１が形成されている。
【０００５】
ＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層２４は、活性層（ＩｎＧａＮ層２７）で発生した光を吸収することができるので、垂直放射角を制御することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１４８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の従来の窒化物系半導体レーザ素子では、Ｔｂといった希土類元素をドーピングした光吸収層を用いて光を吸収している。希土類元素による光吸収は、希土類の外殻電子による光吸収（キャリアの遷移による光吸収）であり、吸収したエネルギーは材料に固有の蛍光として外部に放出される。そのため、吸収係数の小さい光吸収層を作製しようとすれば、極めて少量のドーピングを行う必要があり、制御が非常に難しい。一方で、吸収係数を大きくすると、導波光の吸収によるロスが増大するため、外部量子効率の低下や発振閾値の増大を招いてしまうという問題があった。
【０００８】
上記問題点に鑑み、本発明は、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製することができ、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能な窒化物系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に本発明は、基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている構成とする。
【００１０】
このような構成によれば、ｎ型クラッド層に共ドープされたｐ型ドーパントは振動によって光を吸収すると考えられるので、比較的ドーピングを多くしても吸収係数を比較的小さくすることができ、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製できる。従って、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能となる。
【００１１】
また、上記構成において、前記ｐ型ドーパントはＭｇであるようにしてもよい。Ｍｇをドープした窒化物系半導体についてはエピ成長法が確立されており、既存の設備を用いることができるため、コストメリットが生じる。
【００１２】
また、上記いずれかの構成において、前記ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされているようにしてもよい。
【００１３】
また、上記いずれかの構成において、前記ｐ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型ドーパントの濃度以下であることが好ましい。アクセプタであるｐ型ドーパントがドナーを補償して抵抗率が上昇してしまうことを抑制するためである。
【００１４】
また、上記いずれかの構成において、前記ｐ型ドーパントの濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。ドナー元素であるＳｉ等をドープした場合において、２×１０１８ｃｍ−３程度の量が窒化物系半導体の結晶性を崩すなどの弊害なしにドープすることのできる上限のためである。
【００１５】
さらに、前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが抵抗率の上昇を考慮すると、より好ましい。
【００１６】
また、上記目的を達成するために本発明は、基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型バッファ層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている構成とする。
【００１７】
また、上記構成において、前記ｎ型バッファ層は、前記ｎ型クラッド層よりもＡｌ組成を小さくしていることが好ましい。ｎ型バッファ層による基板の微小な凹凸を埋め込む機能を高めるためである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の窒化物系半導体レーザ素子によると、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製することができ、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】本発明に係るｎ型クラッド層の構成例を示す図である。
【図３】窒化物系半導体レーザ素子の従来例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の斜視図を図１に示す。
【００２１】
図１に示す窒化物系半導体レーザ素子１０においては、基板１０１の第一主面上に、Ｓｉがドープされたｎ型バッファ層（調整層）１０２、ＳｉおよびＭｇがドープされたｎ型クラッド層１０３、Ｓｉがドープされたｎ型ガイド層１０４、多重量子井戸層構造を有する活性層１０５、ノンドープ中間層１０６、蒸発防止層１０７、Ｍｇがドープされたｐ型クラッド層１０８、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層１０９が順にエピ成長により形成される。
【００２２】
ここで、ｐ型コンタクト層１０９と、ｐ型クラッド層１０８の凸部とを含むストライプ状（細長状）のリッジ部１１０が形成され、リッジ部１１０の側面は埋め込み層１１１により埋め込まれている。このような構成により、水平および垂直横モードの光閉じ込めを行うことができる。リッジ部１１０の上では、ｐ型コンタクト層１０９に接した第一のｐ側電極１１２ａが光出射端面にまで伸長しており、光出射端面から離れた位置に、第一のｐ側電極１１２ａへ電力を供給するための大面積である第二のｐ側電極（ｐ側パッド電極）１１２ｂが形成されている。基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１３が形成され、レーザ素子に電力供給を行えるようになっている。リッジ部１１０の下方に位置するストライプ状の活性層１０５の部分が導波路となる。
【００２３】
基板１０１については、導電性のあるｎ−ＧａＮ基板や、サファイア等の絶縁性基板等を使用することができる。基板１０１の上にエピ成長される窒化物系半導体の各層については、その厚みや組成等について所望の特性に合うものを適宜組み合わせることができる。
【００２４】
これらの層のうち、ｎ型バッファ層１０２は、ｎ型クラッド層１０３よりもＡｌ組成が小さい方が好ましい。これは、基板１０１に微小な凹凸があった場合に、それを埋め込む（平坦化する）機能はＡｌ組成の小さい方が高いためである。なお、ｎ型バッファ層１０２はＡｌを含んでいなくてもよい。
【００２５】
ｎ型クラッド層１０３は光吸収層を有しており、詳細については後述する。
【００２６】
埋め込み層１１１は、絶縁性を有するものであればその材質に制限は無く、ＳｉＯ２やＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２などを使用することができる。
【００２７】
第一のｐ側電極１１２ａには、ｐ−ＧａＮに対してオーム性電極となる材料として、仕事関数の大きなＮｉやＰｄ，Ｐｔ，Ａｕといった金属を使用すればよい。
【００２８】
第二のｐ側電極１１２ｂは、外部から第一のｐ側電極１１２ａへの電流供給を行うためのものであり、Ｔｉ／ＡｕやＭｏ／Ａｕなど、ワイヤボンド性等も考慮して適宜材料を組み合わせて構成すればよい。
【００２９】
第二のｐ側電極１１２ｂまで完成したウェハは、研削／研磨等により厚みを調整し、裏面にｎ側電極１１３を形成した後、切りだしを行って完成したチップとする。
【００３０】
次に、ｎ型クラッド層１０３について説明する。ｎ型クラッド層１０３は、ＭＯＣＶＤ法などによるエピ成長により、例えば図２に示すように、ｎ型ドーパントであるＳｉのみがドープされた層１０３Ａと、Ｓｉに加えてｐ型ドーパントであるＭｇが共ドープされた層１０３Ｂとが層厚方向に形成されることで構成される。共ドープされた層１０３Ｂが光吸収層として機能する。なお、ｎ型クラッド層全体に対してＳｉとＭｇを共ドープすることも可能である。
【００３１】
Ｍｇついては、４０５ｎｍ帯である青紫色のレーザ光を発する窒化物系半導体素子のｐ型半導体層において、光吸収を起こすことが一般に知られている。そこで、発明者がｐ型半導体層のＭｇ量を調整した素子を作製したところ、外部量子効率に違いがあることが見出された。ここから導き出されたＭｇドープＧａＮの吸収係数は、１×１０１８ｃｍ−３のＭｇが存在する場合に７〜１３ｃｍ−１であった。この数値は、Ｍｇ濃度に比例すると考えられる。先例のような希土類やＩｎ等を使用した場合と比べて吸収係数は小さくなり、これは、ＧａＮと結合したＭｇの振動が光を吸収しているためと考えられ、吸収したエネルギーは熱として外部に放出される。
【００３２】
これにより、比較的小さな吸収係数を持った光吸収層を作成する場合でも、比較的多くのドーピングを行うことができ、制御性良く作成することが可能となる。従って、垂直放射角の制御を精度良く行うことができる素子を安定的に作製することが可能となり、歩留が安定してコストを低下させることができる。
【００３３】
また、光吸収層を設けることで導波路中の光の分布が狭くなるので、素子から放射される光の垂直放射角を大きくすることができ、また、ガウシアン形状に近いビーム形状に整形を行うことができる。
【００３４】
また、ドーピングにより光吸収を制御することができるので、光吸収層を設ける位置を自由に規定でき、その厚みも容易に変更することができる。ドーピング以外の方法で光吸収を制御しようとすれば、吸収材料をエピ成長後に設けるか、エピ成長前に設けるか、またはインプラント等の注入方法を用いることになるが、いずれも光吸収層を設ける位置には制約がある。例えば、リッジ部の真下に光吸収層を設けることは事実上不可能である。また、厚みについても、吸収材料を設ける場合はＣＶＤ以上の層厚制御能力を有する方法が現状存在せず、インプラントも層厚制御能力は低い。さらに、窒化物系の半導体は格子整合する他の材料系が存在しないので、異種材料を挟んだ場合はエピ成長が非常に難しくなる。一方、ドーピングであれば、同種材料を使用できるため、製造が容易に行える。
【００３５】
また、Ｍｇドープを利用して光吸収層を作製する利点については、ＭｇドープＧａＮは既にＭＯＣＶＤ法などのエピ成長法が確立しており、既存の設備を用いて作製することができるためコストメリットが生じる。一方、希土類元素をドープした高品位の窒化物系半導体層をＭＯＣＶＤ法などで形成することは現状難しい。また、希土類元素をドープするＭＯＣＶＤ装置については、既存のガス系に対して、さらなるガス系を設ける必要があり、装置が複雑化してコスト上昇を招く。
【００３６】
さらに、層厚が薄く、また、抵抗率が高い、作製条件が複雑などといった制約のあるｐ型半導体側に光吸収層を設けるよりも、本実施形態のように、一般に作製が行い易く厚みの厚いｎ型半導体側に光吸収層を設けるほうが設計の自由度が高くなる。
【００３７】
レーザの導波光について、各層の成長方向に光強度分布を取ると、活性層付近で強度が最大となり、そこから遠ざかるに従って減衰してゆく。ｐ型半導体側には電極という強力な光吸収をもたらす層があるため、そこで光強度がゼロになる。つまり、ｐ型半導体側は減衰の度合いが激しくなる。一方、光吸収量は、（光強度）×（吸収率）の形になるので、トータルの光吸収量は、（光吸収層における平均の光強度）×（吸収率）×（層厚）という関係になる。従って、光強度の減衰度合いが激しいｐ型半導体側に光吸収層を設けると、製造上のバラツキを考慮すると光吸収量の調整が正確に行いにくい。特に、電極の影響が非常に大きく、その影響を見積もることが容易ではないので、光吸収の設計が容易でない。これに対し、本実施形態のように、電極が遠くに位置するため光強度の減衰度合いが小さいｎ型半導体側に光吸収層を設ければ、製造上のバラツキを考慮しても光吸収量の正確な調整が行える。
【００３８】
なお、ｎ型半導体側に吸収層を設ける場合においても、導波光の吸収は外部量子効率の低下や発振閾値の上昇をもたらしかねない。導波光のロスは、
（吸収係数）×（当該光吸収層の閉じ込め係数）
で計算される。このため、光吸収を制御する方法は二通りあり、ひとつはＭｇ濃度を減らして吸収係数を小さくすること、もうひとつは光吸収層を活性層から離れた位置に配置し、閉じ込め係数を減ずることである。これらの数値は設計により自由に変更できる数値であるが、Ｍｇによる吸収係数の制御には制約がある。
【００３９】
ｎ型半導体側にＭｇをドープすれば、アクセプタであるＭｇがドナーを補償してしまうため、抵抗率が上がってしまう。Ｍｇ濃度としては、ｐ型半導体の実績から、５×１０１９ｃｍ−３程度まで高めることが可能であるが、ｎ型半導体側では、ドナー元素であるＳｉ等をドープする場合において、２×１０１８ｃｍ−３程度の量がＧａＮの結晶性を崩すなどの弊害なしにドープすることのできる上限である。ｎ側半導体にＳｉとＭｇの双方をドーピングすることを考えると、Ｍｇ濃度は必ずこの量以下でなければならない。
【００４０】
以上から、Ｍｇ濃度は２×１０１８ｃｍ−３が上限であり、また、抵抗率の上昇を考えるとその半量である１×１０１８ｃｍ−３以下に制御することが望ましい。
【００４１】
なお、ＭｇとＳｉを共ドープする層は、ｎ型クラッド層以外に、ｎ型バッファ層に形成するようにしてもよい。このようにすれば、基板側への漏れ光の対策となる。また、ＭｇとＳｉを共ドープする層は、リッジ部の下方のみに設けてもよい。
【００４２】
また、ｎ型半導体層にドープするｐ型ドーパントとしてはＭｇ以外に、例えばＺｎ（亜鉛）を使用することもできる。
【００４３】
また、本発明は、上記実施形態のようなリッジ部を有した素子に限らず、例えばインナーストライプ構造を有した窒化物系半導体レーザ素子にも適用可能である。また、レーザの使用目的についても、ストレージ用のみならず、励起光源向けのワイドストライプレーザや、近接場光利用デバイス（熱アシスト磁気記録など）に利用することもできる。特に、パワーを必要としないがビーム整形の必要がある近接場光利用デバイスなどに適用すれば、設計の自由度が大きく、好ましい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１ 基板
１０２ ｎ型バッファ層
１０３ ｎ型クラッド層
１０４ ｎ型ガイド層
１０５ 活性層
１０６ 中間層
１０７ 蒸発防止層
１０８ ｐ型クラッド層
１０９ ｐ型コンタクト層
１１０ リッジ部
１１１ 埋め込み層
１１２ａ 第一のｐ側電極
１１２ｂ 第二のｐ側電極
１１３ ｎ側電極
２１ 基板
２２ 低温バッファ層
２３ ＳｉドープＧａＮ層
２４ ＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層
２５ ＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層
２６ ＳｉドープＧａＮ層
２７ ＩｎＧａＮ層
２８ ＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
２９ ＭｇドープＧａＮ層
３０ ＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
３１ ＭｇドープＧａＮ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族元素であるＡｌ、ＧａまたはＩｎ等と、Ｖ族元素であるＮとの化合物である窒化物半導体は、そのバンド構造や化学的安定性から、発光素子やパワーデバイスなどの半導体材料として期待され、種々の応用が試みられてきた。これらの用途のうち、光ディスクドライブなどの光学式情報記録装置の光源として用いられる窒化物系半導体レーザ素子においては、近年、ＧａＮ基板の採用や結晶成長技術の向上、素子構造の工夫やウェハプロセス技術の改善などにより、信頼性が確保され、商品として市場を形成するに至っている。
【０００３】
窒化物系半導体レーザ素子の現在の大きな課題は、歩留改善や工数の低減など、コスト削減である。特に、レーザの放射角については制御が難しく、これまで種々の制御法が検討されている。放射角の内、垂直放射角については、クラッド層の外側にしみ出した光のため、発光パターンが乱れ、迷光の発生や、検査不適合が生じるなどの不都合が生じることがあった。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に、垂直放射角の改善を行うことができる窒化物系半導体レーザ素子が開示されている。図３に、特許文献１に開示された従来の窒化物系半導体レーザ素子の断面図を示す。Ｃ面のサファイア等の基板２１上に、順に、層厚３０ｎｍのＧａＮからなる低温バッファ層２２、ｎコンタクト層としての層厚３μｍのＳｉドープＧａＮ層２３、光吸収層としてのＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層２４、ｎ型クラッド層としての層厚０．４μｍのＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層２５、ガイド層としての層厚０．１μｍのＳｉドープＧａＮ層２６、活性層としてのＩｎＧａＮ層２７、ｐ層側のバリア層としての層厚２０ｎｍのＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２８、ガイド層としての層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ層２９、ｐ型クラッド層としての層厚０．４μｍのＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３０、ｐコンタクト層としての層厚０．１μｍのＭｇドープＧａＮ層３１が形成されている。
【０００５】
ＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層２４は、活性層（ＩｎＧａＮ層２７）で発生した光を吸収することができるので、垂直放射角を制御することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１４８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の従来の窒化物系半導体レーザ素子では、Ｔｂといった希土類元素をドーピングした光吸収層を用いて光を吸収している。希土類元素による光吸収は、希土類の外殻電子による光吸収（キャリアの遷移による光吸収）であり、吸収したエネルギーは材料に固有の蛍光として外部に放出される。そのため、吸収係数の小さい光吸収層を作製しようとすれば、極めて少量のドーピングを行う必要があり、制御が非常に難しい。一方で、吸収係数を大きくすると、導波光の吸収によるロスが増大するため、外部量子効率の低下や発振閾値の増大を招いてしまうという問題があった。
【０００８】
上記問題点に鑑み、本発明は、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製することができ、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能な窒化物系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に本発明は、基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている構成とする。
【００１０】
このような構成によれば、ｎ型クラッド層に共ドープされたｐ型ドーパントは振動によって光を吸収すると考えられるので、比較的ドーピングを多くしても吸収係数を比較的小さくすることができ、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製できる。従って、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能となる。
【００１１】
また、上記構成において、前記ｐ型ドーパントはＭｇであるようにしてもよい。Ｍｇをドープした窒化物系半導体についてはエピ成長法が確立されており、既存の設備を用いることができるため、コストメリットが生じる。
【００１２】
また、上記いずれかの構成において、前記ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされているようにしてもよい。
【００１３】
また、上記いずれかの構成において、前記ｐ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型ドーパントの濃度以下であることが好ましい。アクセプタであるｐ型ドーパントがドナーを補償して抵抗率が上昇してしまうことを抑制するためである。
【００１４】
また、上記いずれかの構成において、前記ｐ型ドーパントの濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。ドナー元素であるＳｉ等をドープした場合において、２×１０１８ｃｍ−３程度の量が窒化物系半導体の結晶性を崩すなどの弊害なしにドープすることのできる上限のためである。
【００１５】
さらに、前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが抵抗率の上昇を考慮すると、より好ましい。
【００１６】
また、上記目的を達成するために本発明は、基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型バッファ層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされている構成とする。
【００１７】
また、上記構成において、前記ｎ型バッファ層は、前記ｎ型クラッド層よりもＡｌ組成を小さくしていることが好ましい。ｎ型バッファ層による基板の微小な凹凸を埋め込む機能を高めるためである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の窒化物系半導体レーザ素子によると、吸収係数の小さい光吸収部を制御性良く作製することができ、垂直放射角を精度良く制御できる素子を安定的に作製可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】本発明に係るｎ型クラッド層の構成例を示す図である。
【図３】窒化物系半導体レーザ素子の従来例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の斜視図を図１に示す。
【００２１】
図１に示す窒化物系半導体レーザ素子１０においては、基板１０１の第一主面上に、Ｓｉがドープされたｎ型バッファ層（調整層）１０２、ＳｉおよびＭｇがドープされたｎ型クラッド層１０３、Ｓｉがドープされたｎ型ガイド層１０４、多重量子井戸層構造を有する活性層１０５、ノンドープ中間層１０６、蒸発防止層１０７、Ｍｇがドープされたｐ型クラッド層１０８、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層１０９が順にエピ成長により形成される。
【００２２】
ここで、ｐ型コンタクト層１０９と、ｐ型クラッド層１０８の凸部とを含むストライプ状（細長状）のリッジ部１１０が形成され、リッジ部１１０の側面は埋め込み層１１１により埋め込まれている。このような構成により、水平および垂直横モードの光閉じ込めを行うことができる。リッジ部１１０の上では、ｐ型コンタクト層１０９に接した第一のｐ側電極１１２ａが光出射端面にまで伸長しており、光出射端面から離れた位置に、第一のｐ側電極１１２ａへ電力を供給するための大面積である第二のｐ側電極（ｐ側パッド電極）１１２ｂが形成されている。基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１３が形成され、レーザ素子に電力供給を行えるようになっている。リッジ部１１０の下方に位置するストライプ状の活性層１０５の部分が導波路となる。
【００２３】
基板１０１については、導電性のあるｎ−ＧａＮ基板や、サファイア等の絶縁性基板等を使用することができる。基板１０１の上にエピ成長される窒化物系半導体の各層については、その厚みや組成等について所望の特性に合うものを適宜組み合わせることができる。
【００２４】
これらの層のうち、ｎ型バッファ層１０２は、ｎ型クラッド層１０３よりもＡｌ組成が小さい方が好ましい。これは、基板１０１に微小な凹凸があった場合に、それを埋め込む（平坦化する）機能はＡｌ組成の小さい方が高いためである。なお、ｎ型バッファ層１０２はＡｌを含んでいなくてもよい。
【００２５】
ｎ型クラッド層１０３は光吸収層を有しており、詳細については後述する。
【００２６】
埋め込み層１１１は、絶縁性を有するものであればその材質に制限は無く、ＳｉＯ２やＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２などを使用することができる。
【００２７】
第一のｐ側電極１１２ａには、ｐ−ＧａＮに対してオーム性電極となる材料として、仕事関数の大きなＮｉやＰｄ，Ｐｔ，Ａｕといった金属を使用すればよい。
【００２８】
第二のｐ側電極１１２ｂは、外部から第一のｐ側電極１１２ａへの電流供給を行うためのものであり、Ｔｉ／ＡｕやＭｏ／Ａｕなど、ワイヤボンド性等も考慮して適宜材料を組み合わせて構成すればよい。
【００２９】
第二のｐ側電極１１２ｂまで完成したウェハは、研削／研磨等により厚みを調整し、裏面にｎ側電極１１３を形成した後、切りだしを行って完成したチップとする。
【００３０】
次に、ｎ型クラッド層１０３について説明する。ｎ型クラッド層１０３は、ＭＯＣＶＤ法などによるエピ成長により、例えば図２に示すように、ｎ型ドーパントであるＳｉのみがドープされた層１０３Ａと、Ｓｉに加えてｐ型ドーパントであるＭｇが共ドープされた層１０３Ｂとが層厚方向に形成されることで構成される。共ドープされた層１０３Ｂが光吸収層として機能する。なお、ｎ型クラッド層全体に対してＳｉとＭｇを共ドープすることも可能である。
【００３１】
Ｍｇついては、４０５ｎｍ帯である青紫色のレーザ光を発する窒化物系半導体素子のｐ型半導体層において、光吸収を起こすことが一般に知られている。そこで、発明者がｐ型半導体層のＭｇ量を調整した素子を作製したところ、外部量子効率に違いがあることが見出された。ここから導き出されたＭｇドープＧａＮの吸収係数は、１×１０１８ｃｍ−３のＭｇが存在する場合に７〜１３ｃｍ−１であった。この数値は、Ｍｇ濃度に比例すると考えられる。先例のような希土類やＩｎ等を使用した場合と比べて吸収係数は小さくなり、これは、ＧａＮと結合したＭｇの振動が光を吸収しているためと考えられ、吸収したエネルギーは熱として外部に放出される。
【００３２】
これにより、比較的小さな吸収係数を持った光吸収層を作成する場合でも、比較的多くのドーピングを行うことができ、制御性良く作成することが可能となる。従って、垂直放射角の制御を精度良く行うことができる素子を安定的に作製することが可能となり、歩留が安定してコストを低下させることができる。
【００３３】
また、光吸収層を設けることで導波路中の光の分布が狭くなるので、素子から放射される光の垂直放射角を大きくすることができ、また、ガウシアン形状に近いビーム形状に整形を行うことができる。
【００３４】
また、ドーピングにより光吸収を制御することができるので、光吸収層を設ける位置を自由に規定でき、その厚みも容易に変更することができる。ドーピング以外の方法で光吸収を制御しようとすれば、吸収材料をエピ成長後に設けるか、エピ成長前に設けるか、またはインプラント等の注入方法を用いることになるが、いずれも光吸収層を設ける位置には制約がある。例えば、リッジ部の真下に光吸収層を設けることは事実上不可能である。また、厚みについても、吸収材料を設ける場合はＣＶＤ以上の層厚制御能力を有する方法が現状存在せず、インプラントも層厚制御能力は低い。さらに、窒化物系の半導体は格子整合する他の材料系が存在しないので、異種材料を挟んだ場合はエピ成長が非常に難しくなる。一方、ドーピングであれば、同種材料を使用できるため、製造が容易に行える。
【００３５】
また、Ｍｇドープを利用して光吸収層を作製する利点については、ＭｇドープＧａＮは既にＭＯＣＶＤ法などのエピ成長法が確立しており、既存の設備を用いて作製することができるためコストメリットが生じる。一方、希土類元素をドープした高品位の窒化物系半導体層をＭＯＣＶＤ法などで形成することは現状難しい。また、希土類元素をドープするＭＯＣＶＤ装置については、既存のガス系に対して、さらなるガス系を設ける必要があり、装置が複雑化してコスト上昇を招く。
【００３６】
さらに、層厚が薄く、また、抵抗率が高い、作製条件が複雑などといった制約のあるｐ型半導体側に光吸収層を設けるよりも、本実施形態のように、一般に作製が行い易く厚みの厚いｎ型半導体側に光吸収層を設けるほうが設計の自由度が高くなる。
【００３７】
レーザの導波光について、各層の成長方向に光強度分布を取ると、活性層付近で強度が最大となり、そこから遠ざかるに従って減衰してゆく。ｐ型半導体側には電極という強力な光吸収をもたらす層があるため、そこで光強度がゼロになる。つまり、ｐ型半導体側は減衰の度合いが激しくなる。一方、光吸収量は、（光強度）×（吸収率）の形になるので、トータルの光吸収量は、（光吸収層における平均の光強度）×（吸収率）×（層厚）という関係になる。従って、光強度の減衰度合いが激しいｐ型半導体側に光吸収層を設けると、製造上のバラツキを考慮すると光吸収量の調整が正確に行いにくい。特に、電極の影響が非常に大きく、その影響を見積もることが容易ではないので、光吸収の設計が容易でない。これに対し、本実施形態のように、電極が遠くに位置するため光強度の減衰度合いが小さいｎ型半導体側に光吸収層を設ければ、製造上のバラツキを考慮しても光吸収量の正確な調整が行える。
【００３８】
なお、ｎ型半導体側に吸収層を設ける場合においても、導波光の吸収は外部量子効率の低下や発振閾値の上昇をもたらしかねない。導波光のロスは、
（吸収係数）×（当該光吸収層の閉じ込め係数）
で計算される。このため、光吸収を制御する方法は二通りあり、ひとつはＭｇ濃度を減らして吸収係数を小さくすること、もうひとつは光吸収層を活性層から離れた位置に配置し、閉じ込め係数を減ずることである。これらの数値は設計により自由に変更できる数値であるが、Ｍｇによる吸収係数の制御には制約がある。
【００３９】
ｎ型半導体側にＭｇをドープすれば、アクセプタであるＭｇがドナーを補償してしまうため、抵抗率が上がってしまう。Ｍｇ濃度としては、ｐ型半導体の実績から、５×１０１９ｃｍ−３程度まで高めることが可能であるが、ｎ型半導体側では、ドナー元素であるＳｉ等をドープする場合において、２×１０１８ｃｍ−３程度の量がＧａＮの結晶性を崩すなどの弊害なしにドープすることのできる上限である。ｎ側半導体にＳｉとＭｇの双方をドーピングすることを考えると、Ｍｇ濃度は必ずこの量以下でなければならない。
【００４０】
以上から、Ｍｇ濃度は２×１０１８ｃｍ−３が上限であり、また、抵抗率の上昇を考えるとその半量である１×１０１８ｃｍ−３以下に制御することが望ましい。
【００４１】
なお、ＭｇとＳｉを共ドープする層は、ｎ型クラッド層以外に、ｎ型バッファ層に形成するようにしてもよい。このようにすれば、基板側への漏れ光の対策となる。また、ＭｇとＳｉを共ドープする層は、リッジ部の下方のみに設けてもよい。
【００４２】
また、ｎ型半導体層にドープするｐ型ドーパントとしてはＭｇ以外に、例えばＺｎ（亜鉛）を使用することもできる。
【００４３】
また、本発明は、上記実施形態のようなリッジ部を有した素子に限らず、例えばインナーストライプ構造を有した窒化物系半導体レーザ素子にも適用可能である。また、レーザの使用目的についても、ストレージ用のみならず、励起光源向けのワイドストライプレーザや、近接場光利用デバイス（熱アシスト磁気記録など）に利用することもできる。特に、パワーを必要としないがビーム整形の必要がある近接場光利用デバイスなどに適用すれば、設計の自由度が大きく、好ましい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１ 基板
１０２ ｎ型バッファ層
１０３ ｎ型クラッド層
１０４ ｎ型ガイド層
１０５ 活性層
１０６ 中間層
１０７ 蒸発防止層
１０８ ｐ型クラッド層
１０９ ｐ型コンタクト層
１１０ リッジ部
１１１ 埋め込み層
１１２ａ 第一のｐ側電極
１１２ｂ 第二のｐ側電極
１１３ ｎ側電極
２１ 基板
２２ 低温バッファ層
２３ ＳｉドープＧａＮ層
２４ ＴｂとＳｉをドーピングしたＧａＮ層
２５ ＳｉドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層
２６ ＳｉドープＧａＮ層
２７ ＩｎＧａＮ層
２８ ＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
２９ ＭｇドープＧａＮ層
３０ ＭｇドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
３１ ＭｇドープＧａＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型ドーパントはＭｇであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型ドーパントの濃度以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型バッファ層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ｎ型バッファ層は、前記ｎ型クラッド層よりもＡｌ組成を小さくしていることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項１】
基板上にｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型クラッド層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型ドーパントはＭｇであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｎ型クラッド層は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、前記ｎ型ドーパントの濃度以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板上にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層を少なくとも有し、ストライプ状の導波路が設けられた窒化物系半導体レーザ素子であって、
前記ｎ型バッファ層の少なくとも一部に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントが共ドープされていることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ｎ型バッファ層は、前記ｎ型クラッド層よりもＡｌ組成を小さくしていることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−３８３６２（Ｐ２０１３−３８３６２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５７１４（Ｐ２０１１−１７５７１４）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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